《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行通信，其信息的載體是微觀粒子，如單個光子、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，前者保證了竊聽者在不知道發(fā)送方編碼基的情況下無法準確測量獲得量子態(tài)的信息，后者使得竊聽者無法復(fù)制一份量子態(tài)在得知編碼基后進行測量，從而使得竊聽必然導(dǎo)致明顯的誤碼，使得通信雙方能夠察覺出被竊聽。量子通信具有傳輸?shù)母咝愿鶕?jù)量子力學(xué)的疊加原理，一個維量子態(tài)的本征展開式有項，每項前面都有一個系數(shù)，傳輸一個量子態(tài)相當(dāng)于同時傳輸這個數(shù)據(jù)?？梢?，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。可以利用量子物理的糾纏資源糾纏是量子力學(xué)中獨有的資源，相互糾纏的粒子之間存在一種關(guān)聯(lián)，無論它們的位置相距多遠，若其中一個粒子改變，另一個必然改變，或者說一個經(jīng)測量塌縮，另一個也必然塌縮到對應(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檢驗，因此用糾纏可以協(xié)商密鑰，若存在竊聽，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QKD使得通信雙方獲得密鑰，進而利用經(jīng)典通信系統(tǒng)進行保密通信，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，將攜帶信息的光量子與糾纏光子對之一進行貝爾態(tài)測量，將測量結(jié)果發(fā)送給接收方，接收方根據(jù)測量結(jié)果進行相應(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，可以在相距較遠的兩地之間實現(xiàn)未知量子態(tài)的遠程傳輸。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。通過在系統(tǒng)中添加控制比特來檢驗信道的安全性。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，通過發(fā)送裝置發(fā)送到量子信道。接收方收到后，進行測量，通過對控制比特進行的結(jié)果進行分析判斷信道的安全性，如果信道無竊聽則進行通信。其中經(jīng)典輔助信息輔助進行安全性分析。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，能用來使發(fā)送和接收雙方進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探測器的效率等原因，使得發(fā)送的大部分光子不能得到有效的計數(shù)，而實際通信系統(tǒng)中只保留雙方認可的那部分比特值。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量基一致且被接收方測量計數(shù)的比特才被留下來，進一步處理。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，往往用密鑰產(chǎn)生率（keyrate），其含義是發(fā)送一個光脈沖，它能形成最后密鑰的概率。若系統(tǒng)時鐘為，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，通信速率指傳輸經(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不能放大，而且量子中繼器還處在實驗室研究階段，所以通信距離是一個重要指標。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，所以實際應(yīng)用時往往要在兩者之間進行權(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，除了單光子脈沖的偏振自由度、相位、時間、頻率自由度也被挖掘了出來，從而派生出了各種不同的實現(xiàn)方法。制備-測量型量子通信系統(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)狀我國在量子通信起步比較晚，但發(fā)展也很快：1995年，中國科學(xué)院物理所在國內(nèi)首次完成了自由空間BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議的演示實驗。在國內(nèi)，2007年，中國科學(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)用器實現(xiàn)了四用戶QKD，又實現(xiàn)了3個用戶的誘騙態(tài)量子通信網(wǎng)絡(luò)，并且實現(xiàn)了量子保密話音通信。2012年我國先后建成了“金融信息量子通信驗證網(wǎng)”和“合肥城域量子通信實驗示范網(wǎng)”，節(jié)點數(shù)目和規(guī)模不斷擴大。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)實驗量子通信系統(tǒng)均是針對專門的應(yīng)用，對量子信號的傳輸需要單獨采用一根光纖，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)同時傳輸量子信號與數(shù)據(jù)信號，克服強光信號對單光子信號的影響，是最近實驗和研究的熱門課題，已經(jīng)有了實際的實驗結(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，實現(xiàn)長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遠程終端之間的糾纏的時延較長；另一種方法是基于衛(wèi)星的量子通信，目前歐洲和我國都在準備開展基于衛(wèi)星