淺述量子通信及其系統(tǒng)模型

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上淺述量子通信及其系統(tǒng)模型摘要：量子通信是由經(jīng)典通信和量子力學相結合產(chǎn)生的交叉學科,其無條件安全的特點,使它成為一種全新的安全通信技術,它在各個領域潛在的應用價值已受到高度重視,因此,量子通信的研究越來越成為人們關注的焦點。本文涉及到了量子通信中所用到的量子力學中的基本內(nèi)容，并且介紹了量子通信基本原理以及相應的量子通信系統(tǒng)。并在文章的末尾處，對量子通信的發(fā)展前景做出了展望。關鍵詞：量子通信；量子密鑰；Abstract: quantum communication is a cross discipline combined by classical communicat

2、ion and quantum mechanics and the unconditional security features make it become a new secure communication technology . Quantum communication has been paid highly attention becase of potential application value in all areas, therefore,the research on quantum communication has been becoming the focu

3、s of attention. This paper involves the basic content of quantum mechanics which is used in quantum communication，and introduces the quantum communication and its system composition briefly. In the end of this paper,it gives the prospect in quantum communication development.Keywords: quantum key; Co

4、mmunication system; 第一章 量子通信的現(xiàn)狀及歷史1 2 3為了安全傳遞信息，美國的科學家貝內(nèi)特(Bennett)和加拿大的科學家布萊薩德(Brassard)于1984年第一次提出利用量子比特作為信息載體，通信雙方先產(chǎn)生并安全分配量子密鑰，然后用分配好的密鑰，以一次一密方式實現(xiàn)安全通信。這就是著名的BB84協(xié)議這種方法開創(chuàng)了量子密鑰分發(fā)研究的先河。1991年，英國牛津大學的Ekert提出了一種新的量子密鑰分發(fā)方案1。這種方案是通過量子的糾纏態(tài)實現(xiàn)的。其安全性由貝爾不等式來判斷。1992年Bennett對他提出BB-84方案進行了修改，提出了只用兩個非正交態(tài)來實現(xiàn)但是效率減半的

5、方案一B92協(xié)議，不可克隆定理為B92協(xié)議的安全性提供了保證。1993年英國國防研究部在光纖中用相位編碼的方法實現(xiàn)了 BB84-QKD方案，光纖傳輸長度達到了 10公里。等到1995年，在光纖中的傳輸距離巳經(jīng)達到了30公里。1993年，美國科學家貝內(nèi)特（Bennett)等6位科學家，提出了一種用純量子的方法將一個粒子的量子態(tài)轉(zhuǎn)移的另一個粒子上的辦法，即量子的隱形傳態(tài)（quantum teleportation)技術。這種方法可以克服了量子信道對量子態(tài)的影響，保障了量子信息的安全性。奧地利的安東，澤林格(A. Zeilinger)小組，于1997年，在實驗室第一次以實驗的形式實現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸

6、技術53。等到2004年，該小組已經(jīng)把量子隱形傳態(tài)的距離提高到了 600米。2002年，德國和英國研究機構成功利用激光在相距23. 4km的兩座山峰之間傳輸光子密鑰，i 正實了通過近地衛(wèi)星傳送量子密鑰的可能性。2004年，美國BNN公司在馬薩諸塞州劍橋城建立了世界首個量子密碼通信網(wǎng)絡并投人運行；同年，中國科學技術大學的潘建偉小組在國際上率先實現(xiàn)了五粒子糾纏態(tài)的制備，并利用五光子糾纏源成功地完成了的量子態(tài)隱形傳輸，首次實現(xiàn)了實時語音量子保密通信。使得在城市范圍的建立量子安全通信網(wǎng)絡的設想成為現(xiàn)實。隨著量子技術的發(fā)展，絕對安全的移動通信、互聯(lián)網(wǎng)將會在人們的生活中被廣泛運用。同年，郭光燦研究小組成功

7、實現(xiàn)125km光纖點對點的量子密鑰分配。2007年，潘建偉小組在世界上首次實現(xiàn)了超過100千米的光纖量子通信實驗。此次實驗是基于誘騙態(tài)的。2008年，歐盟組建的7節(jié)點保密通信演示驗證網(wǎng)絡試運行成功。同年，中國科學技術大學潘建偉小組在合肥市組建了首個光量子信息網(wǎng)。2009年，潘建偉小組實現(xiàn)基于光開關的主動式線路切換技術，在合肥建成世界首個可自由擴充的全同型量子通信網(wǎng)絡，并利用超導單光子探策器將安全通信距離提高到200千米。郭光燦小組在安徽蕪湖建成量子政務網(wǎng)，并投入試運行。首期建成的蕪湖量子政務網(wǎng)連接了主要市政機關單位以及蕪湖市電信大樓等8個用戶。2010年山東省投巨資建設了量子通信試驗網(wǎng)工程。2

8、011年在我國舉辦的十一五重大科技成果展上，有兩項重要研究成果激起了人們對量子通信技術的興趣與關注。它們分別是實驗實現(xiàn)16公里自由空間量子隱形傳態(tài)和光量子信息網(wǎng)。2012年8月9日的Nature上刊登了中國科學技術大學潘建偉、彭承志等人對量子態(tài)隱形傳輸?shù)淖钚卵芯砍晒?，他們在青海湖首次成功實現(xiàn)了百公里級的自由空間量子態(tài)隱形傳輸和雙向糾纏分發(fā)4。前景展望：就目前情況來看，在全體科學工作者的努力下，在不久的未來便可制造出量子計算機，并建立全球范圍內(nèi)的量子通信系統(tǒng)，空間距離將不再成為通信的障礙。并且保證傳輸?shù)男畔⒂薪^對的安全性。第二章 量子通信基本理論量子信息中引入了“量子比特”5的概念，在量子信息理

9、論中，量子信息的基本單位是量子比特，英文名為quantum bit，簡寫為qubit。從物理學上說，量子比特就是量子態(tài)，具有量子態(tài)的屬性，因此有很多不同于經(jīng)典比特的特征。量子比特目前還沒有一個明確的定義，其描述是要根據(jù)具體的物理特性來描述的。現(xiàn)有的經(jīng)典信息以比特作為信息單元,從物理角度講,比特是一個兩態(tài)系統(tǒng),它可以制備為兩個可識別狀態(tài)中的一個,如是或非,真或假,0 或1。電容器平板之間的電壓可表示信息比特,有電荷代表1 ,無電荷代表0。 量子信息中引入了“量子比特”的概念，在量子信息理論中，量子信息的基本單位是量子比特，英文名為quantum bit，簡寫為qubit。從物理學上說，量子比特就

10、是量子態(tài)，具有量子態(tài)的屬性，因此有很多不同于經(jīng)典比特的特征。量子比特目前還沒有一個明確的定義，其描述是要根據(jù)具體的物理特性來描述的。量子比特(quit)，是兩個邏輯態(tài)的疊加.經(jīng)典比特可以看成量子比特的特例(c0 = 0或c1 =0)。量子態(tài)來表示信息是量子信息的出發(fā)點,有關信息的所有問題都必須采用量子力學理論來處理,信息的演變遵從薛定諤方程,信息傳輸就是量子態(tài)在量子通道中的傳送,信息處理(計算) 是量子態(tài)的幺正變換,信息提取便是對量子系統(tǒng)實行量子測量。一個qubit是一個雙態(tài)量子系統(tǒng)，即兩個線性獨立的態(tài)，常記為：|0和 |1。以這兩個獨立態(tài)為基矢，張成一個二維復矢量空間，即二維Hilbert空

11、間。其任意態(tài)矢I為一個二進制基本量子比特，以|0和|1為二維Hilbert空間的基矢。在實驗中，任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可以用來制備量子比特，作為量子態(tài)的載體，常見的有：光子的正交偏振態(tài)、電子或原子核的自旋、原子或量子點的能級、任何量子系統(tǒng)的空間模式等。光子： |R : 右圓極化偏振光， |L : 左圓極化偏振光。自旋的粒子： |0，|1二能級原子： |g，|en個qubit態(tài)：張成一個2n的Hilbert空間，有2n個相互正交的態(tài)：|i，其中i是一個n位二進制數(shù)。信息一旦量子化,量子力學的特性便成為量子信息的物理基礎,其主要的有:(1) 量子糾纏: N (大于1) 個量子比特可以處于量子糾纏態(tài),

12、子系統(tǒng)的局域狀態(tài)不是相互獨立的,對于一個子系統(tǒng)的測量會獲取另外子系統(tǒng)的狀態(tài)。(2) 量子不可克隆:量子力學的線性特性禁止對任意量子態(tài)實行精確的復制,量子不可克隆定理和不確定性原理構成量子密碼術的物理基礎。(3) 量子疊加性和相干性:量子比特可以處在兩個本征態(tài)的疊加態(tài)上,在對量子比特的操作過程中,兩態(tài)的疊加振幅可以互相干涉,這就是所謂的量子相干性。第三章 量子通信的基本原理與簡單通信模型3.1 量子通信的基本原理將信息的所有問題都用量子力學的理論來處理：信息傳輸就是量子態(tài)在量子通道中的傳送，信息處理是量子態(tài)的幺正變換，信息提取便是對量子系統(tǒng)實行量子測量。量子隱形傳態(tài)即用量子態(tài)作為信息載體，通過量

13、子態(tài)傳送完成大容量信息的傳輸，是一種脫離實物的 “完全”的信息傳送，能夠?qū)崿F(xiàn)原則上的完全保密6。量子隱形傳態(tài)和密集編碼是量子通信中比較典型的兩種方式,前者利用經(jīng)典輔助的方法傳送未知的量子態(tài),而后者則是利用量子信道傳送用經(jīng)典比特表示的信息。在科幻電影中,常常出現(xiàn)這樣的場景:一個神秘的人物在某處突然消失,而后卻在異地莫名其妙地顯現(xiàn)出來。隱形傳送(teleportation)一詞即來源于此。遺憾的是,在經(jīng)典通信中,這種實現(xiàn)隱形傳送的方法違背了量子力學的基本原理之一不確定關系.因此長期以來,這只不過是一種科學幻想而已。然而量子通信除了推廣經(jīng)典信息中的信源與信道等概念外,還引入了其特有的量子糾纏(qua

14、ntum entanglement),創(chuàng)造了量子隱形傳態(tài)這樣一個經(jīng)典通信中不可思議的奇跡。1993年,Bennett等六位科學家發(fā)表了一篇開創(chuàng)性文章,提出將未知量子態(tài)的信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分,分別由經(jīng)典信道和量子信道傳送給接受者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對原物進行某種測量所獲得,量子信息是發(fā)送者在測量中未提取的其余信息。如圖3-1所示,假設發(fā)送者Alice欲將粒子1所處的未知量子態(tài)傳送給接收者Bob,在此之前,兩者之間共享由 Einstein ，Podolsky ,Rosen提出的處于最大糾纏態(tài)的兩個粒子組成的對。Alice對粒子1和她擁有的EPR粒子2實施Bell基聯(lián)合測量(BS),測量的

15、結果將出現(xiàn)在四種可能的量子態(tài)當中的任意一個,其幾率為1/4 ,對應于Alice不同的測量結果,Bob的粒子3坍縮到相應的量子態(tài)上。因此,當Alice經(jīng)由經(jīng)典通道將她的探測結果告Bob之后,他就可以選擇適當?shù)溺壅儞QU粒子3制備到精確復制態(tài)上(如圖3-1)。圖3-1 量子隱形傳態(tài)原理圖量子隱形傳態(tài)的特點是,僅僅是量子態(tài)被傳送,但粒子3本身不被傳送。而在Alice測量之后,初態(tài)已被破壞,因此這個過程不是量子克隆。近年來人們又將注意力轉(zhuǎn)向傳送一個未知的糾纏態(tài),就此提出了一些理論方案。在量子隱形傳態(tài)中,實現(xiàn)了經(jīng)典信息對量子信息的傳輸。那么,我們是否可以利用量子信道來傳送經(jīng)典信息呢?假設Alice和Bo

16、b共享處于糾纏態(tài)的一對粒子, 從而建立量子通道。Alice 在四種可能的幺正變換中任選一種對其糾纏粒子A進行操作,這種作用實際上是將兩個比特的經(jīng)典信息進行編碼。其后,Alice將粒子A發(fā)送給Bob,Bob通過對兩個粒子進行Bell基聯(lián)合測量,即可確認Alice所做的變換,從而獲得2個比特的信息,也就是說,僅僅通過傳送一個粒子便能成功地傳送2個比特的經(jīng)典信息。這就是所謂的“密集編碼”(dense coding)。3.2 簡單量子通信系統(tǒng)量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量裝置。如下圖所示，該模型包括量子信源、編碼器(量子態(tài)發(fā)生器)、信道(量子通道)、解碼器(量子測量裝置)和

17、量子信宿幾個主要部分。當中：量子信源是消息產(chǎn)生器；量子信宿是消息的接受者；量子編碼器用于把消息變換成量子比特，用量子態(tài)作為消息的載體以傳輸量子信息；量子譯碼器用于把量子信息比特轉(zhuǎn)換成消息；信道包括量子傳輸信道和輔助信道兩個部分：量子傳輸信道就是傳輸量子信號的通道，輔助信道是指除了傳輸信道和測量信道外的其他附加信道，如經(jīng)典信道，圖中虛線表示。在量子信道可以單獨使用，也可以與經(jīng)典信道結合起來傳輸量子信息和經(jīng)典信息；量子噪聲是環(huán)境對量子信號影響的等效描述。量子傳輸信道量子信源量子態(tài)發(fā)生器量子調(diào)制器量子解調(diào)器量子態(tài)檢測器量子信宿量子檢測量子檢測輔助信道量子信道噪聲圖3-2 簡單量子通信系統(tǒng)在量子通信中

18、，運算對象是量子比特序列，它們不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上，在基于糾纏光源的量子通信技術中，信息的載體是糾纏光子對，利用糾纏光子對的光子狀態(tài)相互關聯(lián)來實現(xiàn)量子通信。第四章 量子密鑰與簡單量子密鑰通信系統(tǒng)4.1 量子密鑰廣泛用于網(wǎng)絡金融行業(yè)的保密通信系統(tǒng)是一種所謂的RSA公鑰體系,它的安全性基于大數(shù)因式分解這樣一類不易計算的單向函數(shù),其原理如圖4-1所示。數(shù)學上雖然沒有嚴格證明這種密鑰不可破譯,但現(xiàn)有的經(jīng)典計算機幾乎無法完成這種運算。Short算法證明,采用量子計算機可以輕而易舉地破譯這種公鑰體系。也就是說,一旦量子計算領域獲得重大突破,它所具有的特殊性能,將使現(xiàn)在的

19、公鑰體系徹底地“無密可?！薄?圖4-1 保密通信原理圖另一方面,量子通信是目前科學界公認的惟一能實現(xiàn)絕對安全的通信方式,它利用量子力學的測不準原理和量子不可克隆定理,通過公開信道建立密鑰,當事人之外的第三方根本不可能破解其密碼。其最終目標是解決通信的絕對安全等經(jīng)典通信所存在的一系列根本性問題。目前,量子密碼術的研究引起了人們的廣泛興趣,在理論和實驗方面均取得了重要進展。采用光纖傳輸線已實現(xiàn)48km 的密鑰傳送,自由空間的量子密碼實驗也取得了很大進展。量子密碼術的實用化已經(jīng)指日可待。 目前,量子密碼的方案主要有以下幾種:(1)基于兩種共軛基的四態(tài)方案,其代表為BB84協(xié)議7。(2)基于兩個非正交

20、的兩態(tài)方案,如BB92協(xié)議。(3)基于量子糾纏的EPR粒子對方案,由Ekert于1991年提出,稱為E91協(xié)議。(4)基于正交態(tài)的密鑰分配方案,其基礎為正交態(tài)的不可克隆定理。近年來,人們開始尋求一種嚴格證明量子密鑰分配(QKD)的安全性的方法,起初的幾種證明方法都不盡如人意,甚至需要用到量子計算機。2000年, Preskill提出了一種簡單的方案,巧妙地將糾纏純化方案和量子糾錯碼(CSS碼)結合起來,嚴格地證明了BB84方案的安全性。量子密鑰分配的第一個演示性實驗由Bennett等人完成。隨后,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室,創(chuàng)造了目前光纖中量子密碼通信距離的新紀錄。他們采用類似英國的實驗裝置,

21、通過先進的電子手段,以B92方案成功地在長達48km的地下光纜中傳送量子密鑰 。自由空間中的QKD也不斷地取得突破,現(xiàn)在達到的傳輸距離為115km。在上述方案中,量子密鑰是在兩點之間傳輸、建立的,因而都是點對點的傳輸系統(tǒng)。密鑰分配想要實用化,就必須在網(wǎng)絡中得以實現(xiàn),能夠進行一點對多點或者任意兩點之間的密鑰傳遞。網(wǎng)絡密鑰傳輸有樹狀、環(huán)狀、鏈式等多種結構,這里就其中樹狀結構網(wǎng)絡做簡要介紹。樹狀結構網(wǎng)絡可以用下面的示意圖(圖4-2)簡單表示,其中S是發(fā)送端,而R1 是其中的一個接收端,O代表光纖分束器。盡管樹狀網(wǎng)中有很多接收端,但是由于量子密鑰中的載體一般情況下都是單粒子態(tài),因而他們既不能被分流也不

22、能被克隆。從發(fā)送端S發(fā)送的一個單粒子只能被其中的一個接收端接收,這相當于發(fā)送者S與這個接收端之間經(jīng)歷了一個點對點的密鑰分配系統(tǒng)。因此,在一系列的數(shù)據(jù)傳輸完成之后,各個單粒子態(tài)分別隨機地被某個接受端接收,最終的效果相當于發(fā)送者S與n個接收者之間分別建立一套點對點的密鑰傳輸系統(tǒng),分別建立和分配了一組密鑰序列。建立的方式可以是現(xiàn)存方法中的任何一種。圖4-2 量子密鑰樹狀結構網(wǎng)絡示意圖關于量子保密通信,依然存在很多問題需要解決,其中包括量子秘密共享、網(wǎng)絡量子密碼、身份認證、數(shù)字簽名,以及最近提出的量子指紋等。這些方案的優(yōu)越性在理論上已經(jīng)得到證實。4.2 簡單量子密鑰通信系統(tǒng)包括量子信源、信道和量子信宿

23、三個主要部分，其中信道包括量子傳輸信道、量子測量信道和輔助信道三個部分。圖4-3中的密鑰信道是通信者之間最終將獲得的密鑰對應的信道，是量子密鑰分配協(xié)議的最終目標，該信道不是量子密鑰分發(fā)過程中的組成部分，圖中用虛線表示。輔助信道是指除了傳輸信道和測量信道外的其它附加信道，如經(jīng)典信道，圖中用虛線表示。秘密信息量子信源量子信宿測量信道1測量信道2傳輸信道輔助信道圖 4-3 簡單量子密鑰通信系統(tǒng)圖通信中信宿收到的首先是消息，信息不等于消息，但包含在消息之中，因此，信息的特性常常通過消息來研究。一般來說，信源就是信息的來源，不同的信源發(fā)出的消息不同。若信源輸出的是量子信號，這種信源稱為量子信源。對一個信

24、源的認識通常需要對該信源的數(shù)學描述、信源的結構與性質(zhì)以及信源編碼等幾個方面有清晰的了解。在量子信源方面對這些問題的理解和研究還不深入，很多問題有待進一步研究。參照經(jīng)典信息理論，量子信源可定義為輸出特定量子符號（消息）集的量子系綜。顯然，一旦指定量子符號集，量子信源具有確定的數(shù)學結構，因而可以用一個確定的數(shù)學方式描述量子信源。需要指出的是，量子信源不等于量子系綜，因為量子系綜包含了更多的物理屬性，而量子信源只是量子系綜物理屬性的一個方面。信道是量子密鑰分配協(xié)議的重要部分。圖4-3中的信道部分包括量子傳輸信道、測量信道和輔助信道三個部分，其中，測量信道1和測量信道2分別由通信者 Alice和Bob

25、執(zhí)行。由于Alice通常知道所發(fā)送的量子比特串，方案中一般不需要測量信道1。所謂量子傳輸信道就是量子信號的實際傳輸路線。量子傳輸信道與經(jīng)典信道類似，信道屬性依賴于信道的輸入和輸出以及描述輸入和輸出之間關系的條件概率，因此，量子傳輸信道的數(shù)學描述形式與經(jīng)典傳輸信道的數(shù)學描述一樣。但是，量子傳輸信道不同于經(jīng)典傳輸信道，因為量子傳輸信道的特性受到量子物理學的約束，即信道受發(fā)射信號的量子物理特性的強烈約束，這是由量子物理中不同于經(jīng)典物理的特性所導致的。因此，即使是全同信道，若輸入的量子比特不同，盡管其信道均無噪聲，信道也可能會成為有噪聲的信道，而Shannon理論中的傳輸信道是一般性的數(shù)學理論，與具體通信系統(tǒng)無關。第五章 量子通信的發(fā)展前景及發(fā)展方