量子力學(xué)在5G通信中的應(yīng)用

劉長(zhǎng)江+馬凱+潘嘉琦

摘 要：量子力學(xué)的發(fā)展已有近一個(gè)世紀(jì)，在微觀領(lǐng)域起著極為重要的作用，而5G通信技術(shù)也越來越成為研究的熱門。通過對(duì)量子力學(xué)與5G通信的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，創(chuàng)新性地提出了量子力學(xué)在5G通信中的應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；5G通信；量子糾纏態(tài)；量子態(tài)

中圖分類號(hào)：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.061

1 量子力學(xué)的發(fā)展

包括量子場(chǎng)理論在內(nèi)的量子力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，它是原子和亞原子粒子在小尺度和低能級(jí)的自然基本理論。量子力學(xué)中存在的物理學(xué)，只在小尺寸（微觀）尺度才有效。量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的不同之處在于，能量、動(dòng)量和其他數(shù)量通常限于離散值，物體具有粒子和波的特征（波粒二象性），并且狀態(tài)不容易被知道（不確定性原則）。

量子力學(xué)起源于馬克斯·普朗克在1900年解決黑體輻射問題和阿爾伯特·愛因斯坦1905年的論文，論文中提出了用量子理論來解釋光電效應(yīng)。早期，量子理論在20世紀(jì)20年代中期得到了人類深刻的重新認(rèn)識(shí)，后來的理論是以各種專門開發(fā)的數(shù)學(xué)工具來探究的。數(shù)學(xué)函數(shù)波函數(shù)提供了關(guān)于粒子的位置、動(dòng)量和其他物理性質(zhì)的概率幅度的信息。量子理論的重要應(yīng)用包括量子化學(xué)、超導(dǎo)磁體、發(fā)光二極管和激光器、晶體管和半導(dǎo)體（例如微處理器）、醫(yī)學(xué)和研究成像（例如磁共振成像和電子顯微鏡）以及許多解釋能量的生物和物理現(xiàn)象。形式上，這些駐留在一個(gè)復(fù)雜的可分離希爾伯特空間（稱為狀態(tài)空間或系統(tǒng)的相關(guān)希爾伯特空間），該空間被很好地定義為一個(gè)復(fù)數(shù)的相位因子。換句話說，可能的狀態(tài)是希爾伯特空間的投影空間中的點(diǎn)，通常稱為復(fù)雜的投影空間。希爾伯特空間的確切性質(zhì)取決于系統(tǒng)。例如，位置和動(dòng)量狀態(tài)的狀態(tài)空間是平方可積分函數(shù)的空間，而單個(gè)質(zhì)子的旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)空間只是2個(gè)復(fù)雜的元素。每個(gè)可觀察值由最大線性運(yùn)算符表示為狀態(tài)空間?？捎^測(cè)值的每個(gè)本征狀態(tài)對(duì)應(yīng)于運(yùn)算符的特征向量，并且相關(guān)聯(lián)的特征值對(duì)應(yīng)于該本征狀態(tài)中可觀察值的值。如果運(yùn)算符的頻譜是離散的，則可觀察到只能獲得那些離散的特征值。薛定諤方程作用于整個(gè)概率幅度，而不僅僅是其絕對(duì)值。而概率幅度的絕對(duì)值編碼關(guān)于概率的信息，其相位編碼關(guān)于量子態(tài)之間干擾的信息。這就產(chǎn)生了量子態(tài)的“波狀”行為。

2 5G通信的現(xiàn)狀分析

METIS是歐盟5G項(xiàng)目，旨在為5G系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，并在標(biāo)準(zhǔn)化之前建立共識(shí)。METIS針對(duì)5G的總體方法建立在現(xiàn)有技術(shù)演進(jìn)的基礎(chǔ)上，新的無線電概念得到補(bǔ)充，旨在滿足當(dāng)今無線電接入網(wǎng)絡(luò)對(duì)用例的新的和具有挑戰(zhàn)性的需求。這些新的無線電概念（例如大規(guī)模MIMO、超密集網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備到設(shè)備、超可靠和大規(guī)模機(jī)器通信）的集成將使5G能夠支持移動(dòng)數(shù)據(jù)量的預(yù)期增長(zhǎng)，同時(shí)擴(kuò)大移動(dòng)通信在2020年以后可以支持的應(yīng)用領(lǐng)域范圍。需要研究為了推動(dòng)5G研究方向而確定的方案。此外，本文也將給出滿足所識(shí)別5G場(chǎng)景要求的技術(shù)組件（例如鏈路級(jí)組件、多RAT以及多層網(wǎng)絡(luò)和頻譜處理）的初始指導(dǎo)。隨著移動(dòng)通信日益增長(zhǎng)的流量爆炸，近來毫米波頻帶中大量未充分利用的頻譜越來越多地被關(guān)注，作為與目前4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，實(shí)現(xiàn)數(shù)十到數(shù)百倍容量的潛在可行解決方案。從歷史上看，毫米波段被排除在細(xì)胞使用上，主要是由于對(duì)短距離和非視距覆蓋問題的擔(dān)憂。頻道測(cè)量活動(dòng)的最新成果以及高級(jí)算法和原型的開發(fā)，清楚地證明了mmWave帶可能確實(shí)是下一代（5G）蜂窩系統(tǒng)的有價(jià)值候選者。對(duì)美國和韓國進(jìn)行了信道測(cè)量，并對(duì)消聲室中的實(shí)際自由空間傳播測(cè)量進(jìn)行了總結(jié)。目前，已有一種新穎的混合波束成型方案及其鏈路和系統(tǒng)級(jí)仿真結(jié)果。

3 量子力學(xué)的具體應(yīng)用

“量子5G通信”是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是近20年發(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。光量子5G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)，具有糾纏態(tài)的2個(gè)粒子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)發(fā)生變化，另一個(gè)也會(huì)瞬間發(fā)生變化。利用這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)光量子5G通信的過程如下：事先構(gòu)建一對(duì)具有糾纏態(tài)的粒子，將2個(gè)粒子分別放在通信雙方，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，然后將聯(lián)合測(cè)量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(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)。

量子糾纏態(tài)理論。經(jīng)典通信的安全性和高效性都無法與光量子5G通信相提并論。安全性-量子5G通信絕不會(huì)“泄密”，具體體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：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)，引起坍塌，因此竊取者由于干擾而得到的信息已經(jīng)被破壞，并非原有信息。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5G通信的這樣一次傳輸，就相當(dāng)于經(jīng)典通信方式的128次?？梢韵胂?，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。

4 總結(jié)與展望

量子5G通信以其安全性、高效性和高速傳輸性受到了研究人員的廣泛關(guān)注，在將來的5G通信研發(fā)建設(shè)中，量子力學(xué)將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕