量子通信的原理與優勢

摘要：量子力學自產生起，就一直被質疑它的正確性，無數的科學實驗證實了它是正確的。如今，量子力學作為現代物理的基礎，已經有著廣泛的應用。我國于2016年8月成功發射了墨子號量子通訊衛星，實現了量子通信。本文將針對量子通信的原理和優勢進行說明。

關鍵詞：量子力學；通信；原理；優勢

一、量子通信簡介

量子通信是一種新型通訊方式，主要利用量子糾纏的特點進行信息傳遞。它是一門新興的交叉學科，由通信和物理結合而成的新領域。量子通信主要包含：量子密碼通道，量子遠程傳態，量子密集編碼等。這門技術已經從實驗室狀態擴展到實際生產應用中。基于量子力學的通信具有安全性好、失真度低、傳輸距離遠、容量大的特點，成為國際研究熱點。

二、原理

量子通信的原理只要有量子糾纏、量子不可克隆定理、秘鑰分配和隱形傳態四個部分。與傳統的密碼學不同，量子密鑰分配是密碼學與量子力學相結合的產物，它以量子態為信息載體，利用量子力學的一些基本物理原理來傳輸和保護信息[1]。

（1）量子糾纏 量子糾纏描述復合系統（具有兩個以上的成員系統）之一類特殊的量子態，此量子態無法分解為成員系統各自量子態之張量積。量子糾纏技術起到安全的傳輸信息的目的。利用固定的兩個量子態糾纏的粒子，攜帶信息傳遞到另一個地區，根據糾纏原理，必須是和它糾纏的粒子才可與其再次形成糾纏態。這樣便可以起到很好的加密作用：

即A和B兩個糾纏的粒子表達一定的信息，以A為密鑰，把B傳送到另一地點，那么若想破譯信息，則必須用A粒子再次和B形成糾纏態方可破譯。這樣大大保證了信息傳遞的安全，且破譯具有唯一性。

因為糾纏態的每一分量均由兩個粒子的單態構成， 所以處于糾纏態的兩個粒子具有這樣的特性：. 一旦我們確定了其中一個粒子測量的，狀態， 那么， 就立即知道另一個粒子所處的狀態， 不管它們相距多遠[2]。

設粒子A和B對應兩個量子態、，那么他們共有疊加態：

如果我們對其中一個粒子，假定是A，如果測出它的量子態是，那么如果是對的糾纏態，那么B粒子對應的一定是。

（2）量子不可克隆定理

其具體內容可從以下三方面表述[3]：

①不存在任何物理過程， 能做出兩個不同的非正交態的完全拷貝。

②量子系統的任意未知量子態不能被完全拷貝。

③要從編碼在非正交量子態中獲得信息， 這些態不遭破壞是不可能的。

由此我們知道，如果固定兩個疊加態的粒子，不可能出現另一對與其完全一樣的一對粒子。這就是加密的基礎。試想，如果包含信息的這一對粒子可以被復制，那么只需要創造出一個與其完全匹配的另一個粒子A`，就能破譯密碼。那這個不可克隆定理就限制了不可能有粒子A`=粒子A。

（3）量子密鑰分配

秘密通信依賴于密鑰， 如果發送者Alice和接收者Bob 通信雙方擁有他們自己才知道的私人密鑰， 就可以進行秘密通信。Alice可以把密鑰的對應位加上她的消息編碼的每一位，發送給Bob， Bob收到這個隨機位串后， 利用密鑰就可提取出Alice發來的消息。竊聽者即使截獲傳輸中的信號， 也不可能獲得任何消息， 因為單獨傳輸中的位串本身并不攜帶消息， 消息是編碼在傳輸串和密鑰相關中的[4]。

常見的協議有：

①基于兩種共扼基的量子密鑰分配方案， 其代表為BB84協議。

② 基于兩個非正交的兩態量子密鑰分配方案

③ 基于EPR佯謬的糾纏態量子密鑰分配方案， 該方案應用量子力學的非局域性， 以EPR粒子對作為量子通道來傳送密鑰。

這些協議的基礎均是基于前述的未知量子態不可克隆定理基礎上建立的。

（4）量子隱形傳態

量子隱形傳態又稱量子遙傳、量子隱形傳輸、量子隱形傳送、量子遠距傳輸或量子遠傳，是一種利用分散量子纏結與一些物理訊息的轉換來傳送量子態至任意距離的位置的技術。是一種全新的通信方式。它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息，在量子糾纏的幫助下，待傳輸的量子態如同經歷了科幻小說中描寫的“超時空傳輸”，在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方神秘地出現。

三、優勢

量子通信的優勢有安全性好、失真度低、傳輸距離遠、容量大。它與傳統的無線電通訊與光通訊相比，有著許多的優勢。

光通訊一般采取鋪設光纜的方式，通過光攜帶信息，在光纖介質中多次發生全反射，進行傳輸。無線電通訊作為二戰時期使用頻率最高的通訊方式，有著即時通訊的優勢。信息通過無線電波加密，在空中以場的形式傳播，隨時接收，隨時翻譯。但由于接收沒有選擇性，故很容易被竊取，故需要對傳輸的信息進行加密，保密性的好壞主要取決于密碼編輯的復雜程度。比如對講機、無線電報。以及現在普及的4G信號等，通過中轉站進行更遠距離的傳輸。現在發展到衛星通訊，如地圖導航等，直接發送信號至衛星，進行信息傳遞和反饋。

量子通訊兼有以上所有通訊的特點，可以說有過之而無不及。其保密性好，傳輸距離上比無線電通訊更遠，且成本更低，與一些物理訊息的轉換來傳送量子態至任意距離的位置可以實現超遠距離傳輸。可以說量子通訊用于軍事，可以加強信息傳遞的保密性；用于生活可以減少基站建設數和衛星發射數，提高資源利用率。

總之，量子通信作為新型的通訊方式， 已經成為各國競相研究的課題。人們對量子通信技術的研究已經取得良好的進展，基本實現了量子通訊且走進生產。但它也只是走出了實驗室走進了生產，在大規模推廣和應用方面還有很長的路要走，任重而道遠。如果人類能夠完全解決量子通信的技術難題，這將使人類的生活產生翻天覆地的變化。量子通信將會發揮著越來越重要的作用，有著更加廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]蘇曉琴，郭光燦. 量子通信與量子計算[J]. 量子電子學報，2004，（06）：706-718.

[2]何玲燕，王川，焦榮珍，馬海強，于麗. 量子通信原理及進展概述[J]. 中國電子科學研究院學報，2012，（05）：466-471.

（作者單位：鄭州大學物理工程學院）