量子通信技術(shù)原理與未來的應(yīng)用研究

姚猛 南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院 張文博 南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院

量子通信技術(shù)原理與未來的應(yīng)用研究

姚猛 南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院 張文博 南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院

量子通信在最近幾年得到了飛速的發(fā)展，并且在信息安全傳輸方面有著驕人的成績(jī)。本文首先從量子通信的概念出發(fā)，引出量子通信技術(shù)的原理以及所具備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合了我國關(guān)于量子通信技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)要分析量子通信技術(shù)在未來社會(huì)上的應(yīng)用價(jià)值。

量子通信 發(fā)展現(xiàn)狀 應(yīng)用價(jià)值

量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新興的通訊方式。量子通信是近20年來發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信主要涉及：量子密碼通信，量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。該門學(xué)科已經(jīng)不再拘泥于理論研究，而是走向?qū)嶒?yàn)并進(jìn)入了實(shí)用化階段。最吸引人的是，量子通信有著高效安全的信息傳輸特性，因此受到了人們的廣泛關(guān)注?；诹孔訉W(xué)科的基本原理，并因此成為國際上信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。

1 量子通信技術(shù)的原理

光量子通信主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)（傳輸）的方式實(shí)現(xiàn)信息傳遞。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)發(fā)生變化，另外一個(gè)也會(huì)瞬間發(fā)生變化。因此我們可以利用這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)光量子通信，具體過程如下：

（1）事先構(gòu)建一對(duì)具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個(gè)粒子分別放在通信雙方。

（2）將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發(fā)生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌（變化）后的狀態(tài)是對(duì)稱的。

（3）將聯(lián)合測(cè)量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收放根據(jù)接收到的信息對(duì)坍塌的粒子進(jìn)行幺正變換（相當(dāng)于逆轉(zhuǎn)變換），即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。

由此可見，量子通信技術(shù)的理論研究豐富，通信多采用的方式簡(jiǎn)潔明了，易于操作。

2 量子通信技術(shù)的兩大優(yōu)點(diǎn)

量子通信也具有很多的好處與優(yōu)點(diǎn)，而這些優(yōu)勢(shì)也是很多普通的通信方式所不具備的。經(jīng)典通信較光量子通信相比，其安全性和高效性都無法與之相提并論。下面分別進(jìn)行討論。

2.1 安全性

量子通信絕不會(huì)“泄密”，其原因主要體現(xiàn)在：

（1）量子加密的密鑰是隨機(jī)的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息；

（2）分別在通信雙方手中具有糾纏態(tài)的2個(gè)粒子，其中一個(gè)粒子的量子態(tài)發(fā)生變化，另外一方的量子態(tài)就會(huì)隨之立刻變化，并且根據(jù)量子理論，宏觀的任何觀察和干擾，都會(huì)立刻改變量子態(tài)，引起其坍塌，因此竊取者由于干擾而得到的信息已經(jīng)破壞，并非原有信息。

2.2 高效 .

被傳輸?shù)奈粗孔討B(tài)在被測(cè)量之前會(huì)處于糾纏態(tài)，即同時(shí)代表多個(gè)狀態(tài)，例如一個(gè)量子態(tài)可以同時(shí)表示0和1兩個(gè)數(shù)字，7個(gè)這樣的量子態(tài)就可以同時(shí)表示128個(gè)狀態(tài)或128個(gè)數(shù)字：0～127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當(dāng)于經(jīng)典通信方式的128次。可以想象如果傳輸帶寬是64位或者更高，那么效率之差將是驚人的2，以及更高。

3 量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景

量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對(duì)安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景，而且逐漸走進(jìn)人們的日常生活。但是讓量子通信從理論走向現(xiàn)實(shí)的過程確是需要艱苦的努力的。我國從上世紀(jì)80年代開始從事量子光學(xué)領(lǐng)域的研究，近幾年來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績(jī)。2009年9月，潘建偉的科研團(tuán)隊(duì)正是在3節(jié)點(diǎn)鏈狀光量子電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建成了世界上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語音量子保密通信。這一成果在同類產(chǎn)品中位居國際先進(jìn)水平，標(biāo)志著中國在城域量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求。

全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)5節(jié)點(diǎn)的星型量子通信網(wǎng)絡(luò)，克服了量子信號(hào)在商用光纖上傳輸?shù)牟环€(wěn)定性是量子保密通信技術(shù)實(shí)用化的主要技術(shù)障礙，首次實(shí)現(xiàn)了兩兩用戶間同時(shí)進(jìn)行通信，互不影響。該成果首次全面展示和檢驗(yàn)了量子通信系統(tǒng)組網(wǎng)和擴(kuò)展的能力，標(biāo)志著大規(guī)?？蓴U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)量子通信技術(shù)的成熟，將量子通信實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程又向前推進(jìn)了一大步。據(jù)稱，潘建偉團(tuán)隊(duì)將與中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所等機(jī)構(gòu)合作，在合肥市及周邊地區(qū)啟動(dòng)建設(shè)一個(gè)40節(jié)點(diǎn)量子通信網(wǎng)絡(luò)示范工程，為量子通信的大規(guī)模應(yīng)用積累工程經(jīng)驗(yàn)。

[1]http://baike.sogou.com/v28950.htm?fromTitle=%E9%87%8F%E5%AD%90%E9%80%9A%E4%BF%A1搜狗百科

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