邓明智 2006 (量子通信概论).pdf

1、甘 。 。 、 、 。 。 。 。 。 、 。 、 。 。 。 。 , ,量 子 通 信 概 论邓 智 明 陈 国 锋西 安 电 子 科 技 大 学 西 安摘 要 量 子 通 信 是 在 现 代 通 信 领 域 当 中 的 一 门 新 兴 交 叉 学 科 。 文 章 概 括 了 量 子 通 信 领 域 的 一 些 基 本 原理 , 包 括 量 子 信 息 的 基 本 概 念 、 量 子 通 信 的 通 信 原 理 和 框 架 , 也 包 括 量 子 通 信 基 本 系 统 遇 到 的 问 题 , 同 时介 绍 了 一 些 量 子 通 信 在 国 内 外 的 最 新 研 究 进 展 。 从 中

2、可 以 看 出 量 子 通 信 所 具 有 的 明 显 优 势 。关 健 词 量 子 力 学 量 子 信 息 量 子 通 信 量 子 隐 形 传 态引 言自 从 普 朗 克 在 年 提 出 光 量 子 假 说 以 来 , 量子 力 学 的 创 立 已 过 百 年 。 它 的 诞 生 深 刻 地 改 变 了 人类 社 会 。 世 纪 人 类 的 物 质 文 明 , 社 会 的 核 能 、 激 光 、半 导 体 等 高 新 的 技 术 都 是 以 量 子 力 学 为 基 础 , 而 且使 得 人 们 对 微 观 世 界 运 动 的 规 律 有 了 基 本 正 确 的 、革 命 性 的 理 解 ,

3、成 为 人 类 认 识 世 界 过 程 的 一 个 伟 大里 程 碑 。 诺 贝 尔 获 奖 者 杰 克 斯 坦 博 格 就 曾 经 估 计 ,当 代 经 济 的 的 产 值 都 是 以 一 定 方 式 来 自 于 量 子力 学 为 基 础 的 高 科 技 。 量 子 力 学 对 于 信 息 科 技 的 当代 , 必 然 会 产 生 翻 天 覆 地 的 影 响 。 量 子 信 息 是 信 息 科学 与 量 子 力 学 相 结 合 的 新 兴 交 叉 学 科 , 开 拓 了 量 子力 学 应 用 的 新 天 地 , 为 世 纪 信 息 科 学 的 发 展 提 供了 新 的 原 理 和 方 法 。

4、量 子 通 信 理 论 是 年 由 美 国 的 研 究 人员 提 出 的 , 目 前 美 国 国 家 科 学 基 金 会 、 美 国 国 防 部 等部 门 正 在 着 手 研 究 此 项 技 术 , 欧 盟 从 年 开 始 研究 , 日 本 也 从 年 将 量 子 通 信 纳 人 年 计 划 。 在我 国 , 国 务 院 新 近 发 布 了 国 家 中 长 期 科 学 和 科 技 发展 规 划 纲 要 仪 巧 一 年 中 , 对 涉 及 量 子 通 信 技术 在 内 的 量 子 信 息 技 术 研 究 的 重 要 性 提 到 了 一 个 极高 的 位 置 。 纲 要 中 明 确 指 出 以 微

5、 电 子 为 基 础 的 信 息技 术 将 到 达 物 理 极 限 , 对 信 息 科 学 技 术 发 展 提 出 了严 峻 的 挑 战 , 必 须 寻 求 新 出 路 。 而 以 量 子 效 应 为 基 础的 新 信 息 手 段 初 露 端 倪 , 并 正 在 成 为 发 达 国 家 激 烈竞 争 的 焦 点 。 研 究 量 子 信 息 学 与 量 子 通 信 具 有 明 显的 前 瞻 性 , 有 可 能 在 年 后 对 人 类 社 会 经 济 发展 产 生 难 以 估 量 的 影 响 。子 信 息 基 本 概 念经 典 的 信 息 单 位在 定 量 描 述 信 息 的 不 确 定 性 ,

6、经 典 的 信 息 理 论中 引 人 比 特 作 为 信 息 量 的 单 位 , 按 照信 息 理 论 , 若 消 息 二 的 概 率 分 布 为 可 二 , 则 该 消 息 的信 息 量 为一 哈 尸 比 特对 应 式 的 不 同 对 数 的 底 , 还 有 其 他 的 信 息 单月 矛 八 几 把 侧 万目 位 。 比 如 当 对 数 的 底 为 时 , 信 息 量 的 单 位 为 奈 培, 。 在 物 理 上 , 比 特 是 一 个 两 态 系 统 , 为 两个 可 以 识 别 状 态 的 一 个 , 可 用 表 示 符 号 、 来 表 示 。、 的 状 态 可 以 采 用 多 种 不

7、同 的 物 理 信 号 实 现 , 如 电压 的 高 低 , 信 号 的 有 无 , 脉 冲 的 强 弱 。子 信 息 的 信 息 单 位量 子 信 息 中 引 人 了 “ 量 子 比 特 ” 的 概 念 , 英 文 名为 , 简 写 为 卿 。 从 物 理 学 上 说 , 量 子 比特 就 是 量 子 态 , 具 有 量 子 态 的 属 性 , 因 此 有 很 多 不 同于 经 典 比 特 的 特 征 。 量 子 比 特 目 前 还 没 有 一 个 明 确的 定 义 , 其 描 述 是 要 根 据 具 体 的 物 理 特 性 来 描 述 的 。信 息 论 角 度 的 子 信 息 单 位定 义

8、 二 维 空 间 总 的 任 意 态 矢 价 为 一 个二 进 制 基 本 量 子 比 特 , 以 和 卜 为 二 维 巧 空间 的 基 矢 , 则 量 子 比 特 价 可 表 示 为妙 二 书 卜 , 同 归 匀 , 、 为 复 数经 典 比 特 可 以 看 成 二 尹 的 特 例 。在 实 验 中 , 任 何 两 态 的 量 子 系 统 都 可 以 用 来 制备 量 子 比 特 , 常 见 的 有 光 子 的 正 交 偏 振 态 、 电 子 或原 子 核 的 自 旋 、 原 子 或 量 子 点 的 能 级 、 任 何 量 子 系 统的 空 间 模 式 等 。 信 息 一 旦 量 子 化 ,

9、 量 子 力 学 的 特 性 便成 为 量 子 信 息 的 物 理 基 础 , 其 主 要 的 有量 子 纠 缠 大 于 个 量 子 比 特 可 以 处 于量 子 纠 缠 态 , 子 系 统 的 局 域 状 态 不 是 相 互 独 立 的 , 对于 一 个 子 系 统 的 测 量 会 获 取 另 外 子 系 统 的 状 态 。量 子 不 可 克 隆 量 子 力 学 的 线 性 特 性 禁 止 对任 意 量 子 态 实 行 精 确 的 复 制 , 量 子 不 可 克 隆 定 理 和不 确 定 性 原 理 构 成 量 子 密 码 术 的 物 理 基 础 。量 子 叠 加 性 和 相 干 性 量 子

10、 比 特 可 以 处 在 两个 本 征 态 的 叠 加 态 上 , 在 对 量 子 比 特 的 操 作 过 程 中 ,两 态 的 叠 加 振 幅 可 以 互 相 干 涉 , 这 就 是 所 谓 的 量 子相 干 性 。和 量 子 纠 缠 的分 发 。 量 子 密 钥 传 输 其 实 还 是 属 于 经 典 通 信 范 畴 。 因为 传 输 信 息 的 通 道 还 是 依 赖 经 典 信 道 , 只 是 密 钥 依赖 量 子 信 道 传 输 而 已 。 而 依 赖 量 子 隐 形 传 态 特 性 和量 子 纠 缠 分 发 的 方 式 进 行 通 信 的 过 程 , 才 是 量 子 通信 的 范

11、畴 。 所 谓 隐 形 传 态 , 是 指 脱 离 实 物 的 一 种 “ 完全 ” 的 信 息 传 送 。量 子 隐 形 传 态 不 仅 在 物 理 学 领 域 对 人 们 认 识 与揭 示 自 然 界 的 神 秘 规 律 具 有 重 要 的 意 义 , 而 且 可 以用 量 子 态 作 为 信 息 载 体 , 通 过 量 子 态 传 送 完 成 大 容量 信 息 的 传 输 , 实 现 原 则 上 的 完 全 保 密 。 人 们 利 用 基于 量 子 隐 形 传 态 的 这 个 过 程 , 提 出 了 实 现 量 子的 构 想 。 量 子 是 利 用 多 光 子 纠 缠 对 , 通 过量

12、子 信 道 来 连 接 多 个 量 子 处 理 器 。 同 时 实 现 量 子 信息 的 网 络 化 传 输 和 处 理 。 同 经 典 的 相 比 , 量子 具 有 安 全 、 保 密 、 快 捷 、 大 容 量 等 特 性 , 能够 实 现 多 端 分 布 计 算 , 能 有 效 降 低 通 信 复 杂 度 等 一系 列 优 点 。子 通 信 基 本 原 理信 息 的 所 有 问 题 都 用 量 子 力 学 的 理 论 来 处 理 ,信 息 的 演 变 遵 循 薛 定 愕 方 程 。 信 息 传 输 就 是 量 子 态在 量 子 通 道 中 的 传 送 , 信 息 处 理 是 量 子 态

13、的 么 正 变换 , 信 息 提 取 便 是 对 量 子 系 统 实 行 量 子 测 量 。量 子 通 信 是 最 有 望 首 先 进 人 应 用 的 量 子 技 术 。通 常 分 为 两 类 量 子 密 钥 传 输 量 子 隐 形 传 态量 子 通 信 基 本 模 型量 子 通 信 指 的 是 利 用 量 子 态 编 码 、 存 储 与 传 输信 息 。 包 括 量 子 隐 形 传 态 与 量 子 纠 缠 的 应 用 量 子通 信 信 号 的 特 性 、 产 生 、 传 输 、 接 受 与 检 测 量 子 通 信信 道 的 物 理 特 性 与 信 道 模 型 。子 通 信 系 统 模 型如

14、图 所 示 , 该 模 型 包 括 量 子 信 源 、 编 译 码 器 、信 道 、 量 子 测 量 装 置 和 量 子 信 宿 几 个 主 要 部 分 。 当中 量 子 信 源 是 以 量 子 态 表 示 的 消 息 产 生 器 量 子 信宿 是 量 子 消 息 的 接 受 者 量 子 编 码 器 用 于 把 消 息 变换 成 量 子 比 特 , 用 量 子 态 作 为 消 息 的 载 体 以 传 输 量子 信 息 量 子 译 码 器 用 于 把 量 子 信 息 比 特 转 换 成 消息 信 道 包 括 量 子 传 输 信 道 和 辅 助 信 道 两 个 部 分 量子 传 输 信 道 就 是

15、 传 输 量 子 信 号 的 通 道 。 辅 助 信 道 是指 除 了 传 输 信 道 和 测 量 信 道 外 的 其 他 附 加 信 道 , 如经 典 信 道 , 图 中 虚 线 表 示 。 在 量 子 信 道 可 以 单 独 使用 , 也 可 以 与 经 典 信 道 结 合 起 来 传 输 量 子 信 息 和 经典 信 息 量 子 噪 声 是 环 境 对 量 子 信 号 影 响 的 等 效 描述 。基 于 子 隐 形 传 态 的 子 通 信 系 统 模 型在 量 子 通 信 中 , 运 算 对 象 是 量 子 比 特 序 列 , 它 们不 但 可 以 处 于 各 种 正 交 态 的 叠 加

16、 态 上 , 而 且 还 可 以巾 口 肠 翔 臼 挂 术 版 沉 活 , 必喊 性 一处 于 纠 缠 态 上 , 在 基 于 纠 缠 光 源 的 量 子 通 信 技 术 中 ,信 息 的 载 体 是 纠 缠 光 子 对 , 利 用 纠 缠 光 子 对 的 光 子状 态 相 互 关 联 来 实 现 量 子 通 信 。量 子 信 源 编 码 器 以 尽 可 能 少 的 量 子 比 特 来 表示 输 人 符 号 , 从 而 将 待 传 送 的 消 息 变 换 成 量 子 比 特流 。量 子 纠 错 码 编 码 器 通 过 引 人 冗 余 量 子 比 特 , 将个 量 子 比 特 编 码 成 个 量

17、 子 比 特 , 从 而 建 立 起 量子 比 特 间 的 校 验 关 系 。 目 的 是 使 量 子 信 息 在 有 嗓 声的 量 子 信 道 中 传 输 时 可 以 抗 击 量 子 噪 声 的 影 响 。 量子 纠 错 编 码 器 的 输 出 是 由 每 个 量 子 比 特 为 一 组 构成 的 量 子 编 码 符 号 流 。量 子 调 制 器 使 得 携 带 量 子 信 息 的 量 子 信 号 的特 性 与 信 道 特 性 匹 配 。在 图 的 通 信 系 统 中 传 送 信 息 时 , 发 送 自旋 为 零 的 粒 子 光 子 对 中 的 一 个 光 子 , 使 其 通 过 有 噪刃

18、, 八 杏 刀 不 汉 出 门 此 别 伙 用 少 义 巧吞 乡声 的 量 子 信 道 , 发 送 方 通 过 选 取 正 交 投 影 算 子 对 传翰 的 量 子 比 特 和 对 中 的 一 个 光 子 进 行 局 域测 量 , 并 将 测 量 结 果 表 示 成 经 典 信 息 , 通 过 经 典 通 信系 统 传 送 到 接 受 方 。在 接 受 端 , 先 进 行 量 子 解 调 , 接 受 方 利 用 发 送 方发 来 的 测 量 结 果 对 持 有 对 中 的 量 子 客 体 进 行量 子 操 作 即 可 得 到 调 制 前 的 量 子 信 息 。 在 这 个 过 程当 中 , 同

19、 步 模 块 要 获 取 精 确 的 定 时 信 息 , 以 确 定 准 确的 对 , 否 则 解 调 无 法 进 行 。 解 调 后 的 量 子 信 息精 人 到 量 子 信 道 译 码 器 , 以 消 除 量 子 信 道 中 量 子 噪声 对 量 子 信 号 的 影 响 , 得 到 发 送 方 所 传 输 的 量 子 比特 , 将 量 子 比 特 输 人 量 子 信 源 译 码 器 就 得 到 原 来 的消 息 。量 子 通 信 基 本 系 统 基 础量 子 通 信 系 统 可 以 作 为 独 立 的 通 信 系 统 使 用 ,也 可 以 结 合 现 代 通 信 系 统 应 用 。 实 现

20、 量 子 通 信 系 统 ,必 需 解 决 信 号 的 产 生 、 编 码 、 传 箱 、 检 测 及 与 现 代 的通 信 系 统 兼 容 等 一 系 列 的 问 题 。 其 中 主 要 的 问 题 是量 子 信 号 的 传 输 理 论 与 技 术 , 量 子 通 信 系 统 与 现 代通 信 系 统 的 兼 容 。子 信 息 的 传 输 模 式量 子 通 信 的 基 础 是 量 子 物 理 学 , 量 子 信 道 的 独特 量 子 特 征 导 致 量 子 信 号 的 物 理 传 输 模 式 与 经 典 信号 的 物 理 传 输 模 式 有 所 不 同 。 量 子 通 信 的 物 理 传 输

21、模 式 也 就 相 当 于 通 信 中 的 物 理 层 有 两 种直 接 传 输 将 量 子 信 号 在 通 信 协 议 的 控 制 下直 接 从 发 送 方 传 送 到 接 受 方 。间 接 传 输 需 要 传 送 的 量 子 信 号 不 直 接 在 量子 信 道 中 传 输 , 而 是 利 用 量 子 信 道 的 量 子 特 征 间 接地 将 量 子 比 特 从 发 送 方 传 到 接 受 方 , 隐 形 传 态 就 是一 个 典 型 。子 信 息 的 交 换 与 中 继量 子 交 换 技 术 是 用 于 实 现 将 不 同 纠 缠 比 特 中 的粒 子 纠 缠 在 一 起 的 技 术 ,

22、 这 种 技 术 可 以 用 于 量 子 信号 的 远 距 离 传 输 。 量 子 交 换 技 术 的 基 本 原 理 是 将 两对 或 多 对 纠 缠 比 特 , 经 过 某 种 量 子 操 作 量 子 逻 辑 门的 控 制 下 后 使 相 互 独 立 的 一 对 粒 子 或 者 多 对 粒 子成 为 纠 缠 比 特 。量 子 中 继 是 长 距 离 传 输 的 一 种 手 段 , 以 避 免 因为 环 境 或 者 噪 声 的 影 响 , 使 得 通 信 中 的 信 号 衰 减 , 损耗 。 在 经 典 通 信 中 , 中 继 技 术 采 用 能 量 补 偿 的 方 式 就可 以 容 易 实

23、 现 了 。 而 在 量 子 通 信 中 的 量 子 信 号 具 有量 子 特 性 , 传 输 和 最 终 检 测 的 核 心 部 分 不 是 能 量 而是 信 号 的 某 种 量 子 状 态 。 因 此 量 子 中 继 技 术 比 经 典中 继 技 术 要 难 度 大 , 因 为 经 典 噪 声 使 得 量 子 的传 拾 特 性 不 断 衰 减 , 使 通 信 不 能 进 行 通 过 补 充量 子 信 号 的 能 量 实 现 量 子 信 号 的 稳 定 传 输 , 同 时 还要 保 证 量 子 信 号 携 带 的 量 子 比 特 不 发 生 改 变 。在 目 前 的 量 子 通 信 系 统

24、中 , 量 子 信 号 携 带 的 量子 比 特 传 输 模 式 主 要 有 两 种 未 编 码 量 子 比 特 的 传精 和 已 编 码 的 量 子 比 特 传 输 。 由 于 量 子 比 特 的 状 态很 容 易 受 到 外 界 因 素 影 响 而 改 变 , 而 且 量 子 保 密 通信 中 量 子 比 特 的 状 态 对 通 信 者 以 外 的 用 户 和 设 备 都是 未 知 的 , 因 此 , 对 两 种 传 翰 模 式 中 传 输 的 量 子 比 特做 中 继 处 理 的 方 式 是 不 同 的 。对 于 未 编 码 的 量 子 比 特 的 传 输 系 统 , 通 常 首 先传

25、输 粒 子 系 统 的 整 体 量 子 状 态 , 经 过 中 继 补 偿 后 使传 输 距 离 增 长 , 最 后 对 信 息 编 码 。 就 是 说 , 先 通 过 中继 建 立 一 个 长 距 离 的 量 子 信 道 , 再 利 用 所 建 立 的 量子 信 道 的 量 子 特 性 实 现 量 子 保 密 通 信 或 者 一 般 的 量子 通 信 。 因 此 , 这 种 模 式 中 不 会 由 于 量 子 中 继 的 加 人而 导 致 量 子 信 道 原 有 特 性 的 改 变 。对 于 已 编 码 的 量 子 比 特 的 传 输 系 统 , 在 进 行 补偿 时 情 况 更 复 杂 。

26、 在 这 种 传 输 系 统 中 , 必 须 具 备 两 种功 能 一 是 信 号 能 量 的 补 偿 , 二 是 保 持 量 子 的 比 特 不变 。结 论量 子 通 信 的 优 越 性 是 十 分 明 显 的 , 有 着 现 代 通信 系 统 无 法 比 拟 的 通 信 容 量 和 保 密 性 。 量 子 信 息 通信 将 会 给 通 信 技 术 带 来 巨 大 的 变 革 , 是 未 来 通 信 的发 展 方 向 。不 过 尽 管 有 着 前 沿 的 应 用 前 景 , 但 是 目 前 量 子通 信 领 域 中 还 有 许 多 问 题 有 待 解 决 。 例 如 如 何 有 效地 产 生 多 粒 子 纠 缠 态 , 哪 一 种 物 理 体 系 更 适 合 存 储量 子 信 息 等 问 题 。 在 理 论 上 , 在 量 子 信 息 领 域 中 占 有特 殊 地 位 的 纠 缠 , 其 特 性 尚 未 完 全 揭 示 清 楚 , 甚 至 有关 纠 缠 的 度 量 问 题 也 远 未 解 决 。 但 我 们 相 信 , 通 过 量子 通 信 的 专 家 、 学 者 们 不 懈 的 努 力 , 量 子 通 信 一 定 会发 扬 光 大 , 普 及 应 用 。中 日 晰 沮 份 技 术 胶 以 活 习