走近量子通信

胡 睿，胡洪坡，張亭華

(1.河北省張家口市宣化區(qū)第一中學(xué)，河北 張家口 075100；2.通信訓(xùn)練基地，河北 張家口 075100；3.河北省張家口市宣化區(qū)財(cái)神廟街小學(xué),河北 張家口 075100)

2017-08-29

胡 睿(2000- )，男，河北藁城人，高三學(xué)生，Android應(yīng)用APP開發(fā)。

1674- 4578(2017)05- 0051- 04

走近量子通信

胡 睿1，胡洪坡2，張亭華3

(1.河北省張家口市宣化區(qū)第一中學(xué)，河北 張家口 075100；2.通信訓(xùn)練基地，河北 張家口 075100；3.河北省張家口市宣化區(qū)財(cái)神廟街小學(xué),河北 張家口 075100)

文章首先介紹了量子通信的基本概念：量子、測(cè)不準(zhǔn)定理、量子不可復(fù)制、量子糾纏、量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)等，基于這些概念分析了隱形傳態(tài)的量子通信原理，在此基礎(chǔ)上結(jié)合絕對(duì)安全、超大容量、超遠(yuǎn)距傳輸、無(wú)需介質(zhì)、近實(shí)時(shí)傳送等優(yōu)點(diǎn)介紹了量子通信的應(yīng)用情況，最后對(duì)量子通信的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。

量子糾纏；量子密鑰分發(fā)；量子隱形傳態(tài)；量子信道

眾所周知，通信與社會(huì)生活息息相關(guān)。為了滿足人類不斷增長(zhǎng)的通信需求，近現(xiàn)代以來(lái)各種有線通信、無(wú)線通信方式在有效性和可靠性方面不斷發(fā)展，大大方便了人類各種社會(huì)通信的需求。然而進(jìn)入21世紀(jì)的人類越來(lái)越體會(huì)到單純依靠經(jīng)典通信方式，已經(jīng)不能滿足在通信容量和信息安全方面的進(jìn)一步需求。隨著理論研究和實(shí)際器件的發(fā)展，一種能夠提供超大信息效率和絕對(duì)安全通信等特點(diǎn)的新型通信方式-量子通信越來(lái)越受到廣大科研工作者及相關(guān)行業(yè)生產(chǎn)廠商的青睞。

1 量子通信基本概念

要想理解量子通信，一些基本概念需要我們認(rèn)真掌握并細(xì)加揣摸。這些基本概念主要有量子、測(cè)不準(zhǔn)定理、量子不可復(fù)制、量子糾纏、量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)等。

1) 量子。量子是最小的、不可再分割的能量單位。量子是普朗克1894年在研究黑體輻射問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)的，他在相關(guān)研究中認(rèn)為物質(zhì)輻射或吸收的能量不是無(wú)限可分的，而是有一個(gè)最小的單元，這個(gè)最小的不可再分的能量單元即為“量子”[1,2〗。

2) 測(cè)不準(zhǔn)定理。量子的屬性(量子態(tài))具有成對(duì)的特性，人們無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得這些成對(duì)屬性的所有細(xì)節(jié)。測(cè)不準(zhǔn)定理是由近代科學(xué)家海森堡提出的，他認(rèn)為當(dāng)對(duì)量子成對(duì)屬性中的一個(gè)屬性進(jìn)行精確測(cè)量的同時(shí)，就會(huì)打亂量子屬性的原來(lái)狀態(tài)，而使得成對(duì)屬性中的另一個(gè)屬性變得無(wú)法精確測(cè)量。

3) 量子不可復(fù)制。量子不可復(fù)制也稱量子不可克隆，指的是不可能通過(guò)克隆或復(fù)制的方法得到一個(gè)和原有量子一模一樣，各種量子態(tài)均一致的另一個(gè)量子。量子不可復(fù)制是測(cè)不準(zhǔn)定理的一個(gè)推論，即由測(cè)不準(zhǔn)定理可知，我們無(wú)法精確測(cè)量量子屬性的全部，所以我們就無(wú)法復(fù)制出和原量子態(tài)均一致的另一個(gè)克隆量子。

4) 量子糾纏。量子糾纏指的是成對(duì)量子具有相干性，即成對(duì)量子中的一個(gè)量子態(tài)(動(dòng)量、自旋等狀態(tài))發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)量子態(tài)也會(huì)同步相應(yīng)變化。量子糾纏是量子通信賴以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)特性，成對(duì)的糾纏量子可以通過(guò)一個(gè)較大的粒子分裂而來(lái)，理論上這兩個(gè)糾纏粒子之間即使不通過(guò)介質(zhì)，也能超遠(yuǎn)距相互作用，就像愛(ài)因斯坦所說(shuō)的“幽靈一般的遠(yuǎn)距作用”。

5) 量子隱形傳態(tài)。量子隱形傳態(tài)是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測(cè)量，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的空間轉(zhuǎn)移而不移動(dòng)量子態(tài)的物理載體。在量子隱形傳態(tài)過(guò)程中不需要其它介質(zhì)，僅通過(guò)量子信道(量子糾纏)就可直接傳送量子態(tài)信息，并且理論上不受空間限制可進(jìn)行超大距離的傳送。

6)量子密鑰分發(fā)。量子密鑰分發(fā)以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)和量子不可復(fù)制定理，通過(guò)量子信道使通信收發(fā)雙方共享密鑰。量子密鑰分發(fā)在通信中并不傳輸密文，只是利用量子信道傳輸密鑰，將密鑰分配到通信雙方。

2 量子通信原理與實(shí)現(xiàn)

目前量子通信研究主要集中在量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)、量子安全直接通信和量子機(jī)密共享等四個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。除量子隱形傳態(tài)外其它三種技術(shù)都和安全保密關(guān)聯(lián)比較大，而只有量子隱形傳態(tài)更符合量子通信利用量子相干疊加、量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的技術(shù)定義，限于篇幅，本文僅以量子隱形傳態(tài)的原理框圖來(lái)對(duì)量子通信的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。圖1是基于隱形傳態(tài)的量子通信原理圖。

圖1 基于隱形傳態(tài)的量子通信原理圖

如圖1所示，Alice和Bob是量子隱形傳態(tài)的通信雙方(在介紹量子通信技術(shù)時(shí)一般把發(fā)送方稱作“Alice”，把接收方稱作“Bob”)。A、B、C為三個(gè)量子，其中A、B為通過(guò)量子糾纏分發(fā)得到的一對(duì)量子糾纏對(duì)，C為待傳送的未知量子。Alice和Bob之間有一條經(jīng)典信道和一條A、B建立的量子糾纏信道。

量子隱形傳態(tài)大致分為四個(gè)步驟。第一步是通過(guò)量子糾纏分發(fā)技術(shù)使Alice和Bob獲得具有糾纏關(guān)系的A、B兩個(gè)量子；第二步是Alice利用聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)對(duì)A、C進(jìn)行測(cè)量并獲得一定的測(cè)量信息，在測(cè)量過(guò)程中A、C的狀態(tài)都會(huì)因?yàn)檫M(jìn)行了測(cè)量而發(fā)生一定變化，同時(shí)由于量子糾纏，Bob處的B量子會(huì)因?yàn)榧m纏量子A的變化也相應(yīng)變化；第三步Alice通過(guò)經(jīng)典信道將聯(lián)合檢測(cè)的測(cè)量信息發(fā)送給Bob；第四步Bob收到測(cè)量信息后，根據(jù)測(cè)量信息按一定規(guī)則對(duì)本地的B量子進(jìn)行變換，使得變換后的B量子轉(zhuǎn)變?yōu)榕cAlice未進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)前的C量子一致的原始狀態(tài)。

3 量子通信應(yīng)用

量子通信相較于經(jīng)典通信最大的優(yōu)點(diǎn)在于其絕對(duì)安全的特性，因此非常適合于對(duì)安全特性要求特別高的用戶，比如軍隊(duì)、政府、銀行、金融證券以及大型企業(yè)集團(tuán)等部門。在這些應(yīng)用場(chǎng)合中量子通信更適合軍事通信的需求。下面僅從量子通信在絕對(duì)安全、超大容量、超遠(yuǎn)距傳輸、無(wú)需介質(zhì)、近實(shí)時(shí)傳送等優(yōu)點(diǎn)方面來(lái)分析一下其應(yīng)用情況。

1) 絕對(duì)安全。由于量子不可精確測(cè)量及不可復(fù)制等特點(diǎn)，在合法用戶雙方使用量子通信過(guò)程中，一旦有非法用戶企圖竊聽、截獲、復(fù)制量子的狀態(tài)信息，就會(huì)使傳送的量子態(tài)發(fā)生改變，從而使非法用戶只能得到無(wú)效的量子信息，同時(shí)合法用戶雙方也會(huì)即時(shí)發(fā)現(xiàn)正常的通信狀態(tài)被打斷，并判斷出有用戶在非法獲取通信信息。因此理論上量子通信是絕對(duì)安全的，這樣對(duì)于像軍事通信這樣強(qiáng)調(diào)信息絕對(duì)安全的用戶而言，量子通信無(wú)疑是一個(gè)首先的保密通信手段。

2) 超大容量。量子通道的通信容量是由表征量子態(tài)的自由度來(lái)決定的，比如量子的波長(zhǎng)、自旋、動(dòng)量、角動(dòng)量等特性，聯(lián)合使用多量子的多自由度進(jìn)行量子通信，最終的通信容量將會(huì)呈指數(shù)式增長(zhǎng)。因此，量子通信可以保證各類用戶多種需求的超大容量指標(biāo)要求，最大限度地滿足各類其語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、多媒體以及各種通信業(yè)務(wù)的容量需求。

3) 超遠(yuǎn)距傳輸。理論上處于糾纏態(tài)的量子對(duì)發(fā)生相互作用的距離是無(wú)限的，但在實(shí)際情形中，由于實(shí)際環(huán)境的限制(比如空氣)，糾纏量子對(duì)的分發(fā)距離會(huì)受到限制。目前糾纏量子對(duì)在空氣中的水平分發(fā)距離大約在100 km左右，如果想實(shí)現(xiàn)量子通信的超遠(yuǎn)距傳輸需要增大糾纏量子的分發(fā)距離，比如采用衛(wèi)星進(jìn)行量子糾纏分發(fā)，可實(shí)現(xiàn)上千公里的分發(fā)距離。相信隨著基于衛(wèi)星的量子通信研究的不斷深入，量子衛(wèi)星通信也可實(shí)現(xiàn)與經(jīng)典衛(wèi)星一樣的超遠(yuǎn)距信息傳輸。

4) 無(wú)需介質(zhì)?；诹孔与[形傳態(tài)的量子通信依靠的是糾纏量子對(duì)提供的量子信道，收發(fā)雙方用戶之間不需要經(jīng)典通信時(shí)必須的有線或無(wú)線信道等介質(zhì)的存在。這種不需要信道介質(zhì)的通信方式可以有效解決軍事通信應(yīng)用中的一些疑難問(wèn)題，比如水下通信、復(fù)雜電磁環(huán)境通信等問(wèn)題。在常規(guī)的對(duì)潛通信中，只有長(zhǎng)波通信適合作為陸地或空中對(duì)潛艇的通信頻率，但長(zhǎng)波通信具有設(shè)備龐大造價(jià)高、信息傳輸速率低等固有缺點(diǎn)。如果采用量子通信，由于其通信過(guò)程不受介質(zhì)的影響，使得水下對(duì)潛通信的問(wèn)題將迎刃而解。此外，在經(jīng)典通信設(shè)備遇到山地等復(fù)雜電磁環(huán)境時(shí)，通信將變得非常困難。而量子通信卻不存在任何遮擋、吸收、多徑傳播等影響通信的難題，可以很好地解決山地通信、復(fù)雜電磁環(huán)境、通信干擾等問(wèn)題。

5) 近實(shí)時(shí)傳送。采用量子通信時(shí)，糾纏的量子對(duì)間的狀態(tài)改變是瞬間發(fā)生的，有人推測(cè)得出其速度超過(guò)光速1 000倍，因此量子通信的速度主要取決于隱形傳態(tài)時(shí)的經(jīng)典信道速度，如果采用光纖信道作為經(jīng)典信道，則可知量子通信可以實(shí)現(xiàn)接近光速的傳送速度，也可以說(shuō)近實(shí)時(shí)地傳送。在經(jīng)典通信中由于受電磁波速度的限制，在跨洋通信、星地通信過(guò)程中會(huì)引入較大的時(shí)延過(guò)程，對(duì)于用戶的通信產(chǎn)生一定的影響，所以采用量子通信將給用戶提供一種近實(shí)時(shí)傳送的通信方式體驗(yàn)。

4 量子通信發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)隨著人們對(duì)于量子通信的不斷研究分析與深入了解，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科技人員均在量子通信的不同領(lǐng)域取得了舉世矚目的成果。美國(guó)早在2006年，就實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100 km的量子保密通信實(shí)驗(yàn)，近期美國(guó)航空航天局計(jì)劃在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之間建立一個(gè)直線距離600 km的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計(jì)劃拓展到星地量子通信。歐洲也在2006年實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100 km的保密通信實(shí)驗(yàn)，并于2007年實(shí)現(xiàn)了通信距離達(dá)144 km的量子通信，2008年首次識(shí)別出從人造衛(wèi)星上反彈回地球的光子，距離超過(guò)1 500 km。我國(guó)在量子通信領(lǐng)域的研究進(jìn)展與西方國(guó)家大體相當(dāng)，并在2014年將遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴(kuò)展到200 km，2016年8月發(fā)射了世界首枚量子通信科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的超遠(yuǎn)距量子通信，2016年11月“京滬干線”國(guó)家量子通信骨干網(wǎng)合肥至上海段順利開通，該干線全長(zhǎng)712 km，是目前全球開通的最長(zhǎng)的量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語(yǔ)

量子通信具有獨(dú)特的魅力，愛(ài)因斯坦稱其為上帝擲的骰子、具有幽靈般的作用，這種顛覆人們經(jīng)典通信認(rèn)知的通信方式是解決困擾21世紀(jì)人類通信難題的一把閃閃發(fā)光的金鑰匙。隨著越來(lái)越多有志于投身量子通信領(lǐng)域研究的人員的加入，量子通信的研究必將不斷深入發(fā)展，量子通信具有的絕對(duì)安全、超大容量、超遠(yuǎn)距傳輸、無(wú)需介質(zhì)、近實(shí)時(shí)傳送等優(yōu)點(diǎn)將會(huì)被更多用戶應(yīng)用在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，大大改善并提高人們的社會(huì)生活水平。

[1] 張宇隆，張學(xué)賡.淺談量子通信及其軍事應(yīng)用前景.軍隊(duì)指揮自動(dòng)化，2016(3)：65-67.

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ApproachingQuantumCommunication

Hu Rui1, Hu Hongpo2, Zhang Tinghua3

(1.XuanhuaNo.1MiddleSchool,ZhangjiakouHebei075100,China;2.CommunicationTrainingBase,ZhangjiakouHebei075100,China; 3.XuanhuaCaishenStreetPrimarySchool,ZhangjiakouHebei075100,China)

This article first introduces the basic concepts of quantum communication, that are quantum, quantum uncertainty theorem, quantum non copy, quantum entanglement, quantum teleportation, quantum key distribution and so on. Based on these concepts, the quantum communication principle of teleportation is analyzed. And on the above basis, combining with the advantages of absolute safety, large capacity, ultra long distance transmission, without medium, near real-time transmission, the application of quantum communication is introduced, then the development status of quantum communication are summarized.

quantum entanglement; quantum key distribution; quantum teleportation; quantum channel

TN929.11

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