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量子通信原理與技術(shù)及發(fā)展史

2017年10月27日 14:39 電子發(fā)燒友網(wǎng) 作者: 用戶評(píng)論(0

  量子通信是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子信息學(xué)告訴人們,在微觀世界里,不論兩個(gè)粒子間距離多遠(yuǎn),一個(gè)粒子的變化都會(huì)影響另一個(gè)粒子的現(xiàn)象叫量子糾纏,這一現(xiàn)象被愛(ài)因斯坦稱(chēng)為“詭異的互動(dòng)性”??茖W(xué)家認(rèn)為,這是一種“神奇的力量”,可成為具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

  量子態(tài)的隱形傳輸在沒(méi)有任何載體的攜帶下,而只是把一對(duì)攜帶信息的糾纏光子分開(kāi)來(lái),將其一的光子發(fā)送到特定的位置,就能準(zhǔn)確推測(cè)出另一個(gè)光子的狀態(tài),從而達(dá)到“超時(shí)空穿越”的通信方式和“隔空取物”的運(yùn)輸方式。所謂量子隱形傳態(tài)利用了糾纏態(tài)粒子之間的特殊“心靈感應(yīng)”,即不論相隔多遠(yuǎn),只要兩個(gè)粒子仍然保持著糾纏態(tài),其中一個(gè)發(fā)生了變化另一個(gè)一定發(fā)生相應(yīng)的變化。

  1993年,Bennett等來(lái)自四個(gè)國(guó)家的六位科學(xué)家演示了第一種量子隱形傳態(tài)方案,其過(guò)程如下:

量子通信原理與技術(shù)及發(fā)展史

  Alice與Bob分別擁有一對(duì)糾纏粒子對(duì)2,3中的2與3.Alice要向Bob發(fā)送消息,Alice對(duì)某粒子1的當(dāng)前狀態(tài)未知,她將聯(lián)合測(cè)量粒子1與2。因?yàn)闇y(cè)量,所以粒子1與2發(fā)生了變化,由于2與3是糾纏態(tài)粒子,于是3也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。Alice通過(guò)經(jīng)典信道將測(cè)量結(jié)果告訴Bob,Bob對(duì)3進(jìn)行一系列操作將能得到粒子1的最初狀態(tài)。

  量子通信的安全性源于量子力學(xué)的基本原理:

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  一是不確定性原理,也稱(chēng)測(cè)不準(zhǔn)原理,即不可能同時(shí)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)非對(duì)易的物理量,如量子的坐標(biāo)和動(dòng)量。

  二是測(cè)量塌縮原理,即對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量會(huì)不可避免地使該量子態(tài)塌縮到某一個(gè)本征態(tài)上,這意味著對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量都會(huì)留下痕跡。

  三是不可克隆定理,即一個(gè)未知的量子態(tài)是無(wú)法被精確克隆的。

  此外還有量子糾纏態(tài),相互糾纏的兩個(gè)粒子無(wú)論被分離多遠(yuǎn),一個(gè)粒子狀態(tài)的變化都會(huì)立即使得另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。

? ? ? ?量子通信技術(shù)及發(fā)展史

  量子信息技術(shù)最為重要的兩項(xiàng)應(yīng)用是量子通信與量子計(jì)算機(jī)。量子通信是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無(wú)條件安全的通信方式,與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比,具有極高的安全性、保密性、信息傳遞效率與抗干擾性能,被認(rèn)為是下一代通信領(lǐng)域的支撐性技術(shù)。而在摩爾定律正在失效、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)性能在經(jīng)典物理領(lǐng)域內(nèi)無(wú)法進(jìn)一步得到提升的當(dāng)下,量子計(jì)算機(jī)將在海量信息處理、重大科學(xué)問(wèn)題研究等方面產(chǎn)生巨大影響,為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步、國(guó)防軍事實(shí)力以及國(guó)家國(guó)際地位的提高做出突出貢獻(xiàn)。

量子通信原理與技術(shù)及發(fā)展史

  量子信息技術(shù)的重要戰(zhàn)略意義使其已成為全球物理學(xué)研究的前沿與焦點(diǎn)領(lǐng)域:全球最大的獨(dú)立科技研發(fā)機(jī)構(gòu)美國(guó)Battelle公司于2014年提出,計(jì)劃在未來(lái)建立連接美國(guó)主要城市、總長(zhǎng)超萬(wàn)公里的環(huán)美國(guó)量子通信網(wǎng)絡(luò);歐洲科學(xué)家團(tuán)體提出了以維也納為中心,西至愛(ài)丁堡,東至雅典,北至奧斯陸,南至里斯本的多橫多縱的光纖量子骨干網(wǎng)計(jì)劃;2015年世界最大的芯片制造Intel公司宣布投入巨資與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)合作研發(fā)基于硅量子點(diǎn)的量子計(jì)算機(jī),以期搶占半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)研制的制高點(diǎn);2016年歐盟宣布將于2018年啟動(dòng)總額10億歐元的量子技術(shù)項(xiàng)目,促進(jìn)包括通用量子計(jì)算機(jī)等在內(nèi)的多項(xiàng)量子技術(shù)的發(fā)展。

  1993年,C.H.Bennett提出了量子通訊的概念;同年,6位來(lái)自不同國(guó)家的科學(xué)家,提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的方案:將某一個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方,把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上,而原來(lái)的粒子仍停留在原處。其基本思想是:將原物的信息分成經(jīng)典信息與量子信息兩部分,它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物質(zhì)進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的,量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息;接收者在獲得了這兩種信息后,就可以制備出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。該過(guò)程中傳送的僅僅是原物質(zhì)的量子態(tài),而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對(duì)這個(gè)量子態(tài)一無(wú)所知,而接收者是將別的粒子處于原物質(zhì)的量子態(tài)上。在這個(gè)方案中,糾纏態(tài)的非定域性起著極其重要的作用。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J(rèn)識(shí)和揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義,而且能用量子態(tài)作為信息載體,通過(guò)量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸,實(shí)現(xiàn)了原則上不可破譯的量子保密通信。

  量子通信技術(shù)的研究方向除了包括量子隱形傳態(tài)還包括量子安全直接通信等,突破了現(xiàn)有信息技術(shù),引起了學(xué)術(shù)界和社會(huì)的高度重視。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比,量子通信除具有超強(qiáng)抗干擾能力外且不需對(duì)傳統(tǒng)信道進(jìn)行借助;與此同時(shí)量子通信的密碼被破譯的可能性幾乎沒(méi)有,具有較強(qiáng)的保密性;另外,量子通信幾乎不存在線路時(shí)延,傳輸速度很快。量子通信發(fā)展僅僅經(jīng)歷了20年左右,但其發(fā)展卻十分迅猛,目前已經(jīng)被很多國(guó)家和軍方給予高度關(guān)注。

  量子通信在國(guó)防和軍事上具有廣闊的應(yīng)用前景,作為量子技術(shù)的最大特征,量子技術(shù)的安全性是傳統(tǒng)加密通信所無(wú)可企及的。量子通信技術(shù)的超強(qiáng)保密性,能夠有效保證己方軍事密件和軍事行動(dòng)不被敵方破譯及偵析,在國(guó)防和軍事領(lǐng)域顯示出無(wú)與倫比的魅力。另一方面,在破解復(fù)雜的加密算法上,也許現(xiàn)有計(jì)算機(jī)可能需要好幾萬(wàn)年的時(shí)間,在現(xiàn)實(shí)中是完全無(wú)法接受且?guī)缀鯖](méi)有實(shí)用價(jià)值的。但量子計(jì)算機(jī)卻能在幾分鐘內(nèi)將加密算法破解,如果未來(lái)這種技術(shù)被投入實(shí)用,傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)密碼體制將處于危險(xiǎn)之中,而量子通信技術(shù)則能能夠抵御這種破解和威脅。此外,在民間通信領(lǐng)域量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景也同樣廣闊。中國(guó)科技大學(xué)在2009年對(duì)界上首個(gè)5 節(jié)點(diǎn)的全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組建后,使得實(shí)時(shí)語(yǔ)音量子保密通信被首次實(shí)現(xiàn),城市范圍的安全量子通信網(wǎng)絡(luò)在這種“城域量子通信網(wǎng)絡(luò)”基礎(chǔ)上成為了現(xiàn)實(shí)。

  各國(guó)正是瞅準(zhǔn)了量子通信技術(shù)的無(wú)限應(yīng)用前景,紛紛加大對(duì)量子通信技術(shù)方面的投入力度。在未來(lái)的量子通信技術(shù)還應(yīng)注意一些關(guān)鍵性的問(wèn)題,如單光子源成本的降低、通信傳輸距離的加大以及檢測(cè)概率的增強(qiáng)等,都仍需要進(jìn)一步的研究。

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