試析神奇的量子通信

李豐馳

摘 要：隨著科技水平的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷提高，量子通信領(lǐng)域的發(fā)展在此背景上也取得了矚目成就。作為一名高中生，在物理課堂上我們便已經(jīng)可以體會到量子通信技術(shù)所運(yùn)用的復(fù)雜的物理知識，即量子力學(xué)等。本文基于對量子通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)、特點(diǎn)優(yōu)勢和應(yīng)用前景進(jìn)行簡要分析，進(jìn)而加深對神奇的量子通信的進(jìn)一步認(rèn)識和了解。

關(guān)鍵詞：高中生；量子通信；相關(guān)技術(shù)

中圖分類號：G634.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）32-0297-02

引 言

量子是量子通信的信息載體，是當(dāng)前通信技術(shù)領(lǐng)域的最新技術(shù)之一，無論在保密性還是效率上都有著明顯的優(yōu)勢。目前，在信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，信息技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)微電子技術(shù)已經(jīng)差不多達(dá)到了當(dāng)前物理領(lǐng)域發(fā)展的極限?，F(xiàn)在，量子通信技術(shù)的理論體系已經(jīng)相對完善，對量子通信技術(shù)建設(shè)已經(jīng)慢慢從理論走向?qū)嶒?yàn)，并逐漸運(yùn)用于社會，不斷往實(shí)用性方面發(fā)展。

1 量子通信的理論基礎(chǔ)

1.1 不確定性原理

量子通信技術(shù)中的量子研究是屬于微觀領(lǐng)域的研究。身為一名高中生，在學(xué)習(xí)高中物理的時(shí)候就對量子的概念已經(jīng)有了一定的了解，知道了量子是一個(gè)很小的物理基本單位。而德國科學(xué)家海森伯通過多年對量子力學(xué)的研究，對此提出了一種不確定性原理，即量子的一些物理量在發(fā)生變化和運(yùn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)量在確定后，另一個(gè)量就很難確定，很難實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量能同時(shí)確定數(shù)值。

1.2 不可克隆原理

通過物理學(xué)家的研究表明，得出了量子力學(xué)的另一基本原理，即量子不可克隆原理，表明了量子是不可以進(jìn)行復(fù)制的。而且量子是非常小的一個(gè)物理單位，不管處于什么狀態(tài)下的量子，只要你想對他進(jìn)行復(fù)制或者測量，在外來行為的因素上它都會發(fā)生一定程度的變化，不可能是一層不變的。因此即使對量子進(jìn)行測量想對其進(jìn)行復(fù)制，在測量的過程中就已經(jīng)發(fā)生測量數(shù)值的改變，不再是原先的量子了。

1.3 糾纏效應(yīng)

這是量子力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)奇特現(xiàn)象。在學(xué)習(xí)高中物理的量子物理知識時(shí)，知道了量子間是存在著相互作用和聯(lián)系的，這種作用和聯(lián)系物理學(xué)把它稱之為糾纏效應(yīng)。即兩個(gè)共同來源的微觀粒子，不管是由于什么原因?qū)е路珠_，只要其中一個(gè)粒子發(fā)生改變，另一個(gè)粒子便能快速感應(yīng)對方的狀態(tài)并做出一定的回應(yīng)，這就是量子糾纏現(xiàn)象[1]。

2 量子通信的特點(diǎn)優(yōu)勢分析

2.1 具有無條件安全性

量子密碼學(xué)是量子通信信息安全的技術(shù)理論基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)加密方法不同的是，量子通信是以量子狀態(tài)作為密鑰對信息進(jìn)行加密的，加上量子的不可克隆性和不可竊聽更加提高了量子通信的信息安全保障。而且量子是不可復(fù)制的，在任何情況下，如果想截獲或測量量子密鑰，量子都會發(fā)生變化，導(dǎo)致其根本不可能竊取信息。另一方面，量子通信的加密技術(shù)不像傳統(tǒng)辦法那樣需要通過復(fù)雜的算法技術(shù)進(jìn)行加密，它是通過物理法則來保證量子通信的安全性的，是目前公認(rèn)的在通信安全性方面最權(quán)威可靠的終極技術(shù)手段[2]。

2.2 具有較強(qiáng)的抗干擾能力和傳輸能力

通信量子技術(shù)在信息傳輸?shù)倪^程中不需要依賴外來的媒體介質(zhì)，因此量子信息傳遞無論在什么情況下都不需要考慮外界物質(zhì)的障礙阻隔，可以實(shí)現(xiàn)零線路時(shí)延的可能。而且在此過程中通信的速度十分快速，也不會給社會環(huán)境帶來任何的電磁輻射等污染問題，是一種相當(dāng)環(huán)保的高科技技術(shù)[3]。另一方面，量子通信在量子隱形的狀態(tài)下，能夠穿透整個(gè)大氣層，不論多遠(yuǎn)的距離都能夠?qū)崿F(xiàn)通信，這也對衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展和信息全球化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 傳輸效率極高

量子通信在傳輸?shù)倪^程中運(yùn)用的是量子力學(xué)的疊加原理。以光學(xué)為例，作為一名高中生在學(xué)習(xí)物理的一些基本常量時(shí)可以知道經(jīng)典信道光子的信息效率極限是1.44bit/光子，但是量子信道光量子的信息效率是經(jīng)典信道光子的70倍左右，由此可見它的信息傳輸效率是非常高的。

3 量子通信的應(yīng)用前景

3.1 建立全新衛(wèi)星通信網(wǎng)

因?yàn)閱喂庾雍凸韫饫w在傳輸過程中受到了距離和空間上的限制，導(dǎo)致通信事業(yè)無法實(shí)現(xiàn)全球性的通信?，F(xiàn)在隨著衛(wèi)星通信技術(shù)和空間技術(shù)水平的不斷提高，加上量子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，突破了傳統(tǒng)通信的時(shí)間和空間限制，使量子通信距離不斷延伸加大，從而真正實(shí)現(xiàn)全球量子通信的發(fā)展。

3.2 構(gòu)建超光速信息網(wǎng)絡(luò)

量子通信信息技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)獲得很高的成就，因此可以將此技術(shù)的優(yōu)勢特點(diǎn)建立成有特殊要求的超光速量子通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還能改進(jìn)當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)容量和速率等方面的不足，為信息網(wǎng)絡(luò)開拓一個(gè)新天地，不斷促進(jìn)超光速信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

3.3 用于深海通信

由于受技術(shù)的限制，長波通信是深海和岸基之間的主要通信方式，而且在建設(shè)這樣的通信方式時(shí)，其系統(tǒng)龐大，需要投入很多資金，抗毀性還十分低下，通信的深度也只能在百米左右以內(nèi)有效。量子通信則不同，不需要建設(shè)太繁雜龐大的系統(tǒng)，且量子通信的光量子隱形傳態(tài)不需要傳播介質(zhì)來支撐，在通信深度上可以更深，這對深海通信的發(fā)展是一個(gè)大突破[4]。

3.4 用于隱蔽保密通信網(wǎng)

降低電磁輻射是通信得以隱身的重要關(guān)鍵，而量子通信有不可復(fù)制的特點(diǎn)，其密碼的“不可破特性”和“竊聽可知性”對信息傳輸?shù)陌踩兄苤匾谋Ｕ?。因此對軍事信息系統(tǒng)的應(yīng)用和很多機(jī)關(guān)單位、企業(yè)等多方領(lǐng)域機(jī)構(gòu)在進(jìn)行絕密信息的傳輸時(shí)可提供信息安全保障，確保信息不被泄露。

3.5 生成和分發(fā)通信密鑰

完全安全性是量子通信技術(shù)的最大特點(diǎn)，且量子態(tài)的粒子是密鑰的載體，是無法在半路偵測的，這是傳統(tǒng)加密通信所達(dá)不到的目標(biāo)。因此可以通過天基平臺部署量子通信密鑰生成和分發(fā)系統(tǒng)，然后給網(wǎng)絡(luò)用戶分發(fā)量子密鑰，從而全面構(gòu)建安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

身為高中生的我們，通過物理的學(xué)習(xí)可以進(jìn)一步領(lǐng)略到量子通信的高深技術(shù)水平和神奇色彩，量子通信技術(shù)是一項(xiàng)新興的高科技技術(shù)，雖然在理論研究上已經(jīng)取得一定成就，但是在運(yùn)用上還處于初級研究階段。而且我國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平和國外發(fā)達(dá)國家相比還存在很大的差距，因此國家應(yīng)該積極主動(dòng)的向發(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)，并不斷的汲取技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，并列為國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要研究工作內(nèi)容，此外還應(yīng)投入更多的資金和精力去發(fā)展量子通信技術(shù)，從而促進(jìn)我國量子通信技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]萬 駿.淺談量子通信理論及其應(yīng)用[J].科技傳播，2018，10（06）：100～101.

[2]趙麗君.量子通信技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（09）：54～55.

[3]賴俊森，吳冰冰，湯 瑞，趙文玉，張海懿.量子通信應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J].電信科學(xué)，2016，32（03）：123～129.

[4]王礦巖.量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問題研究[J].通訊世界，2017（01）：110～111.

收稿日期：2018-9-26