《量子通信》課件第一章 概述

第1章概述

量子通信利用量子力學(xué)的基本原理或特性進(jìn)行通信，其信息的載體是微觀粒子，如單個(gè)光子、原子或自旋電子等。因此，它的工作原理、發(fā)送裝置和接收設(shè)備必定與其它通信方式不同。本章主要講述量子通信的基本概念、量子通信的類型，并簡(jiǎn)要介紹量子通信的發(fā)展現(xiàn)狀。提綱1量子通信的基本概念和類型2量子通信系統(tǒng)的指標(biāo)3量子通信發(fā)展現(xiàn)狀與展望1.1.1量子通信的基本概念量子通信具有無(wú)條件安全性量子通信具有傳輸?shù)母咝钥梢岳昧孔游锢淼募m纏資源

量子通信具有無(wú)條件安全性QKD利用量子力學(xué)的海森堡不確定性原理和量子態(tài)不可克隆定理，前者保證了竊聽(tīng)者在不知道發(fā)送方編碼基的情況下無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量獲得量子態(tài)的信息，后者使得竊聽(tīng)者無(wú)法復(fù)制一份量子態(tài)在得知編碼基后進(jìn)行測(cè)量，從而使得竊聽(tīng)必然導(dǎo)致明顯的誤碼，使得通信雙方能夠察覺(jué)出被竊聽(tīng)。量子通信具有傳輸?shù)母咝愿鶕?jù)量子力學(xué)的疊加原理，一個(gè)維量子態(tài)的本征展開(kāi)式有項(xiàng)，每項(xiàng)前面都有一個(gè)系數(shù)，傳輸一個(gè)量子態(tài)相當(dāng)于同時(shí)傳輸這個(gè)數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)，量子態(tài)攜載的信息非常豐富，使其不但在傳輸方面，而且在存貯、處理等方面相比于經(jīng)典方法更為高效?？梢岳昧孔游锢淼募m纏資源糾纏是量子力學(xué)中獨(dú)有的資源，相互糾纏的粒子之間存在一種關(guān)聯(lián)，無(wú)論它們的位置相距多遠(yuǎn)，若其中一個(gè)粒子改變，另一個(gè)必然改變，或者說(shuō)一個(gè)經(jīng)測(cè)量塌縮，另一個(gè)也必然塌縮到對(duì)應(yīng)的量子態(tài)上。這種關(guān)聯(lián)的保持可以用貝爾不等式來(lái)檢驗(yàn)，因此用糾纏可以協(xié)商密鑰，若存在竊聽(tīng)，即可發(fā)現(xiàn)。1.1.2量子通信的類型基于QKD的量子保密通信量子間接通信量子安全直接通信基于QKD的量子保密通信基于QKD的量子保密通信是通過(guò)QKD使得通信雙方獲得密鑰，進(jìn)而利用經(jīng)典通信系統(tǒng)進(jìn)行保密通信，如圖下所示。基于QKD的量子保密通信

量子間接通信量子間接通信可以傳輸量子信息，但不是直接傳輸，而是利用糾纏粒子對(duì)，將攜帶信息的光量子與糾纏光子對(duì)之一進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給接收方，接收方根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的酉變換，從而可恢復(fù)發(fā)送方的信息，如圖下所示。這種方法稱為量子隱形傳態(tài)（QuantumTeleportation），應(yīng)用量子力學(xué)的糾纏特性，基于兩個(gè)粒子具有的量子關(guān)聯(lián)特性建立量子信道，可以在相距較遠(yuǎn)的兩地之間實(shí)現(xiàn)未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。量子間接通信量子安全直接通信量子安全直接通信（QuantumSecureDirectCommunications,QSDC）可以直接傳輸信息。通過(guò)在系統(tǒng)中添加控制比特來(lái)檢驗(yàn)信道的安全性。其原理如圖下所示，量子態(tài)的制備可采用糾纏源或單光子源。若為單光子源，可將信息調(diào)制在單光子的偏振態(tài)上，通過(guò)發(fā)送裝置發(fā)送到量子信道。接收方收到后，進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)控制比特進(jìn)行的結(jié)果進(jìn)行分析判斷信道的安全性，如果信道無(wú)竊聽(tīng)則進(jìn)行通信。其中經(jīng)典輔助信息輔助進(jìn)行安全性分析。量子安全直接通信1.2量子通信系統(tǒng)的指標(biāo)1．量子誤碼率2.通信速率3.通信距離量子誤碼率量子誤碼率（Quantumbiterrorrate,QBER）是指承載信息的光量子波包中，能用來(lái)使發(fā)送和接收雙方進(jìn)行有效通信的那部分信息的誤碼率。由于信道的損耗和接收機(jī)探測(cè)器的效率等原因，使得發(fā)送的大部分光子不能得到有效的計(jì)數(shù)，而實(shí)際通信系統(tǒng)中只保留雙方認(rèn)可的那部分比特值。在基于單光子的QKD系統(tǒng)中，只有發(fā)送方的編碼基和接收方的測(cè)量基一致且被接收方測(cè)量計(jì)數(shù)的比特才被留下來(lái)，進(jìn)一步處理。QBER就是衡量這部分比特的誤碼性能。通信速率量子通信系統(tǒng)的速率隨通信的樣式不同而不同。在量子保密通信系統(tǒng)中，除了加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕?jīng)典通信速率外，更重要的是密鑰產(chǎn)生速率。衡量不同QKD系統(tǒng)性能時(shí)，往往用密鑰產(chǎn)生率（keyrate），其含義是發(fā)送一個(gè)光脈沖，它能形成最后密鑰的概率。若系統(tǒng)時(shí)鐘為，密鑰產(chǎn)生率為，密鑰速率為，則有：。在間接量子通信系統(tǒng)和量子安全直接通信系統(tǒng)中，通信速率指?jìng)鬏斀?jīng)典信息（用經(jīng)典比特表示的信息）或量子信息（用量子態(tài)表示的信息）的傳輸速率。通信距離由于量子信號(hào)不能放大，而且量子中繼器還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，所以通信距離是一個(gè)重要指標(biāo)。由于量子信道的損耗，隨著通信距離的增加，量子通信的速率（不是加密后的經(jīng)典數(shù)據(jù)），通信距離迅速下降，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往要在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。1.3量子通信發(fā)展現(xiàn)狀與展望

量子通信發(fā)展現(xiàn)狀量子通信發(fā)展展望量子通信發(fā)展現(xiàn)狀自從1984年BB84協(xié)議出現(xiàn)后，各種協(xié)議不斷被提了出來(lái)，除了單光子脈沖的偏振自由度、相位、時(shí)間、頻率自由度也被挖掘了出來(lái)，從而派生出了各種不同的實(shí)現(xiàn)方法。制備-測(cè)量型量子通信系統(tǒng)基于單光子，傳輸信道為單模光纖或自由空間。量子通信發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)在量子通信起步比較晚，但發(fā)展也很快：1995年，中國(guó)科學(xué)院物理所在國(guó)內(nèi)首次完成了自由空間BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議的演示實(shí)驗(yàn)。在國(guó)內(nèi)，2007年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在北京網(wǎng)通公司商用通信網(wǎng)絡(luò)上基于波分復(fù)用器實(shí)現(xiàn)了四用戶QKD，又實(shí)現(xiàn)了3個(gè)用戶的誘騙態(tài)量子通信網(wǎng)絡(luò)，并且實(shí)現(xiàn)了量子保密話音通信。2012年我國(guó)先后建成了“金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)”和“合肥城域量子通信實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)”，節(jié)點(diǎn)數(shù)目和規(guī)模不斷擴(kuò)大。量子通信發(fā)展展望量子通信系統(tǒng)將由專網(wǎng)走向公眾網(wǎng)絡(luò)，目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)量子通信系統(tǒng)均是針對(duì)專門的應(yīng)用，對(duì)量子信號(hào)的傳輸需要單獨(dú)采用一根光纖，這樣的話一方面成本較高，另一方面應(yīng)用范圍受限。為了將量子通信推廣使用，如何利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳輸量子信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)，克服強(qiáng)光信號(hào)對(duì)單光子信號(hào)的影響，是最近實(shí)驗(yàn)和研究的熱門課題，已經(jīng)有了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。量子通信發(fā)展展望量子通信網(wǎng)絡(luò)向覆蓋全球發(fā)展，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子通信的一種方法是借助于量子中繼器，需要采用量子糾纏交換和糾纏純化，由于糾纏交換成功的概率性使得建立兩個(gè)遠(yuǎn)程終端之間的糾纏的時(shí)延較長(zhǎng)；另一種方法是基于衛(wèi)星的量子通信，目前歐洲和我國(guó)都在準(zhǔn)備開(kāi)展基于衛(wèi)星