量子通信大作业
量子交换门
量子通信是研究利用量子手段传递和处理信息的技术。经过多年来的理论和实践探索，已经初步发展形成了可用的量子通信网络。与经典通信相比，建立在量子力学基本原理基础上的量子通信有很多优势，如传输信息的无条件安全性，通信的高效性等。
量子交换是构建量子多用户通信网络的关键技术，避免了每个通信终端全连接带来的复杂性，并大大所见了组网和维护成本，经典通信网络中有各种成熟的交换技术，但这些都不适合量子交换，量子交换有其自身的特点。由于量子态不可克隆定理的限制是的经典交换方法应用于量子交换有很多技术障碍，比如存储量子态而且要保持量子特性不变，还有量子态叠加性和纠缠性，因此寻找实现量子交换的新技术、新方法也是未来研究的热点。
目前常应用于实际的量子交换方法主要是空分交换，波分交换和基于量子Fredkin门的交换也是两种可行的方法。其中量子fredkin门的实现，包括线性光学方法、非线性光学方法，以及其他实现方法。
一、量子交换门实现中用到的一些线性光学器件
现在量子交换的研究主要基于光子，所以在这里先来介绍一下量子交换门中几种常用的光学器件。
1.相位片
其中一个重要的元件是相位片（phase shift ），是一个单入单出的元件，它会使光子的位相发生变化，一个特定的相位片带来的位相变化只与同一模式中的光子数有关。
2.分束器
另一个重要的光学元件是分束器，是一个双入双出的元件，光照在分束器上会有一部分透射一部分反射。分束器在线性光学量子信息处理中发挥着重要的作用。一般地，分束器有两个参数，θ和φ，其中θ2cos =T 和θ2sin =R 分别代表分束器的透射率和反射率，φ表示相对相位。Θ通常是由分束器本身决定的，而
φ是受分束器前后相位片或光路长度的影响，并不是固定的，因此我们一般计算的时候往往采取简单的形式，选取φ=-π/2（π、2），即使得1（2）路入射的光子反射后相位不变，而2（1）路入射的光子反射后相位变化π。特别的，在一些复杂的光路中，为了明确这两种不同的情况，往往在会发生相位变的分束器 （
beam splitter ）的示意
相位片（phase shift ）的示意图
反射面用虚线标示。另外，将反射率为1/2的分束器称为对称分束器或者50：50分束器，反射率不等于1/2的分束器称为非对称分束器。
3.偏振分束器
偏振分束器是全反射竖直偏振的光全透射水平偏振的光，称为偏振分束器（polarizing beam splitter ）。
偏振分束器会将正交偏振的光分开为两束，这两束都额可以继续用于光路中，在有的时候我们只需要一个偏振的光输出，此时利用一般的偏振片就可以实现。偏振分束器是偏振片的一种，为双入双出型，而一般的偏振片还有很多种，碧土可以通过吸收一个线偏振光透射与之正交的偏振光。还可以通过Brewster 窗多次反射一种偏振光透射与之正交的偏振光等等。光束通过一般的偏振片可以是单入单出、单入双出或双入单出等。理论上偏振分束器可以充当所有的偏振片， 2 1 4
3
偏振分束器（polarizing beam splitter ）示意图。水平偏振
分束器的不同表示形式，不加虚线的反射面表示反
射光的相位不发生变化，加虚线的反射面表示反射
（a ）
（b ）
实际应用中分束器对偏振光选择的效果一般不如一般的偏振片效果好。
3.波片
波片（wave plate ）是常用的操控偏振光的器件（示意图与相位片相同），一般是由双折射晶体做成，当光线垂直入射于光轴与表面平行的双折射晶体时，o 光和e 光在传播方向上不分开，但是在相位上由于o 光和e 光传播速度不同分开了，如果晶体厚度为d ，光的波长为λ，o 光和e 光的折射率分别为o n 和e n ，则o 光和e 光的相位差为
d n n o o o
e )(2-=-=λπ
δδδ
当δ为π/2的奇数倍时，这种波片称为四分之一波片；当δ为π的奇数倍时，这种波片称为半波片。
二、量子逻辑门
量子信息中信息是编码到量子比特即二维系统的量子态中的，要想实现量子信息的处理就必须能够对量子态进行操控，这在量子力学里面可以通过幺正变换来实现，这样的操作称为量子逻辑门。构建各种量子逻辑门在很多量子系统中都是很有挑战的，量子计算算法需要能够实现多个量子比特纠缠的量子逻辑门，这就更加有难度了。
设有算符U ，设U 的共轭转置为+U ，-U 是U 的逆。若满足：+U =-U ，则称为幺正算符。幺正变换的一个重要性质是：空间中任意两个矢量经幺正变换后其内积保持不变。如设s 和t 是空间中的任意两个矢量，其内积定义为t s ，s 和t 经过幺正变化作用后得到的矢量s U 和t U ，其内积为),(t U s U ，由++=U s s U )(，可得t s t U U s t U s U ==+),(。
Pauli 算符和单位算符是几个基本的单量子比特逻辑门，其中
??
????==0110x X σ被称为NOT 逻辑门。因为它可以实现10→或者01→的操作。另一个比较重要的单量子比特逻辑门是Hadamard 门，矩阵表示为：
??
????-=111121H H 门在量子计算中有很多应用，比如Z HXH =。这使得它可以将Z 的本征态转化为X 的本征态，Y 为旋转门，Z 常称为相位门。量子力学中有无穷多个2×2幺正矩阵，所以也就存在无穷多个单量子比特逻辑门，可以证明任意一个单量子比特逻辑门可以由多个基本的量子逻辑门来实现。
在双量子比特逻辑门中，一个非常中的双量子比特逻辑门就是控制非门，简称CNOT 门，在量子线路中的符号通常表示如图，
它的真值表如表所示： 输入 输出 控制量子比特 目标量子比特 控制量子比特 目标量子比特
0 0 0 0
1 0 1 1 0 1 1
in c in t out t
out c 量子逻辑门
1
1 1 0
矩阵表示为： ????????????=1000010000100001CNOT U 由真值表可得，当控制量子比特为0时，目标量子比特不变；当控制量子比特为1是，则目标量子比特会发生反转，从而实现了可控的量子COT 门。此外，人们已经证明，CNOT 门与单量子比特逻辑门是普适的，任意的多量子比特逻辑门均可由上述两种逻辑门复合而成。
由于编码于光子的量子比特不易受消相干影响，而且可以很精确、和容易的对光子量子比特进行单量子比特逻辑门操作，所以人们很早就开始尝试在光子系统中进行量子计算。但是由于光子和光子之间很难发生相互作用，所以如何实现多两字比特逻辑门就成了一大难题。人们最初认为想要在光子系统中实现可扩展的量子计算需要很强的非线性介质，比如Kerr 介质，但是很遗憾，目前还不可能有使光子间产生足够大相互作用的Kerr 介质，这使得目前还不可能基于Kerr 介质在光子系统中实现量子计算。这样的难题在2001年由Knill 、Laflarmme 和Milburn 发表的文章中解决了，他们在理论上证明通过线性光学元件和单光子以及光子探测可以实现可扩展的量子计算。KLM 的文章引起人们极大的性却，越来越多的人开始研究基于线性光学元件和光子的计算。
激光光子之间难以发生相互作用，但是我们知道光子作为波色子满足波色子的对易关系，有光子聚束、干涉等性质，这些会使得光子可以“影响”到其他光子，这就给了基于光子探测来实现光子间相互作用的可能性。KLM 就是利用光子这样的性质，通过光子探测，提出了利用线性光学元件几率性实现双光子逻辑门方案的。
在KLM 的方案提出后，人们做了很多利用线性光学元件、光子和光子测量进行量子计算的研究，其中一个方面是几率量子逻辑门的实现，人们在这一方面
取得了很多进展，例如Knill 给出的NS 门的成功几率上限为1/2，人们提出了很多改进NS 门的方案，实验上也实现了NS 门。
在光子系统中利用线性光学元件和光子探测实现几率性量子逻辑门的基本框架。n 个光子构成的输入态和m 个辅助光子输入到由一些线性光学元件构成的装置中，在m ’个探测器（m ’与m 不一定相等）探测m 个辅助光子得到正确结果的情况下，几率门成功，这种不需要对n 个光子输出态进行光子探测的几率逻辑门称为可预知逻辑门（又称为非破坏的逻辑门），这种逻辑门对于偏振编码和路径编码的量子比特来说通常必须存在辅助光子；如果需要对n 光子输出态进行光子探测才能保证逻辑门的成功，那么这样的逻辑称为后选择逻辑门（又称为破坏逻辑门），这种逻辑门可以不需要辅助光子。
三、量子fredkin 门的实现
量子Fredkin 门可以分为交换和控制两部分。交换部分实现两信息量子比特的“直通”和“交叉状态”：控制部分则用于提供控制量子比特，控制整个逻辑门的“交叉”和“直通”状态的实现。对于控制部分，我们既可以用一束普通激光作为控制信号，在接收端以无光表示“关”，有光表示“开”，通过判断光信号的“有”、“无”产生相应的控制信号；也可以以入射光的计划信息作为判… … …
… n 光子
输入态 m 个
辅助光子 n 光子 输出态
m ’个 光子探测
线 性 光 学 元 件
构建几率量子逻辑门的示意图
定依据，以水平偏振状态H表示“关”，垂直偏振状态V表示“开”，通过判断入射光的偏振太，实现对量子逻辑门状态的控制。
如图所示为基于线性光学器件的量子Fredkin门的系统方案。D为一个探测装置，可根据入射光信号的不同进行选择，若以一束强光信号作为控制量子比特，则D可以是光电管等光电转换设备。对入射光的有无进行判断：若以具有一定偏振态的单光子信号作为控制量子比特，则D可以是一台单光子探测器，如图所示控制信号产生装置。
90oPC为一电控偏振控制器，当入射为V时，该偏振控制器处于“开”状
态，作用相当于一个45o的半波片，对输入光产生π/2的偏振旋转变化，即H →V：当入射光为H时，处于“关状态”，对入射光不产生任何操作，信号量子比特可直接通过。HWP2和HWP3分别为主光轴与水平方向成22.5o和
67.5o的波片，它们的作用分别为：
Cross/Bar状态的实现，控制部分通过判断输入光的“有”、“无”或偏振态，得到控制信号，控制90oPC的“开”或“关”。当
C为V时，产生的
in
控制信号使得与输入端相连的两个偏振控制器处于“开”状态，与输出端相连的四个偏振控制器处于“关”状态，可以实现对于输入的光子交换；当
C为H时，
in
产生的控制信号使得与输入端相连的两个偏振控制器处于“关”状态，与输出端相连的四个偏振控制器处于“开”状态时，从而实现了直通状态。
理论情况下当均有光子输出时成功，此时三量子比特量子Fredkin门的成功率为1/4。在实际应用中，单光子探测器的探测效率与按技术成反比，一般设置探测效率为10%时，此时单光子探测器的暗计数很小，所以此时逻辑门的成功率约为1/4.
四、几种量子交换门的成功概率
现在对于控制交换门的实现有很多讨论。早在1989年Milburn就提出通过光子之间的交叉Kerr效应来控制相位的引入以实现控制交换门。然而这一方案中的交叉Kerr效应工作在单光子水平上，因此需要非常强的非线性效应，目前实现条件下很难做到。仅使用线性光学器件也可以实现控制浇花门，通过一定量的辅助光子（包括EPR纠缠对和单光子）和单光子探测器的测量，可以预报行的实现控制交换门，其成功概率可以达到3
36
?。由于这一量子
.5-
10
?或3
10
0.1-
门的实现是通过单光子探测器确切计数来预报性的实现，其优点是此量子门可以扩展，即可以通过级联的方式构造更复杂的量子门。但就目前实验技术而言，但光探测器的实现仍然存在很大的挑战。当然，不需要单光子探测器，也可以通过一定量的辅助光子，以后验选择的方式（即通过符合计数测量）来实现控制交换门，其成功概率可以达到3
10
?。或者也可以在没有任
?或3
2.6-
10
10
1.4-
?、3
2.5-
何辅助光子的前提下，引入额外的世间安自由度纠缠作为辅助，通过后验选择的方式实现量子交换门，其成功的概率可以提高到1/64。但是这类利用厚颜选择方式实现量子门都面临一个难题，就是后续的多比特操作无法进行，否则通过后验选择方式去掉一些项将会引起错误的发生，因此这类量子门无法扩展到复杂的量子门操作。
量子纠缠及其在量子通信中的应用 吴家燕物理学专业15346036 摘要 量子理论为我们描绘了一幅与我们容易感知的由经典力学统治的现实世界有大不同的量子世界图象，而量子纠缠是量子世界特有的现象，在经典世界中没有对应。纠缠态的制备和各种测量仍然是现在前沿研究的一个热点话题。这小小的量子纠缠正在当今世界中，从量子密码到完全保密的量子通信，从量子计算机到未来的量子互联网，给人类带来新的希望。 关键词 量子纠缠量子比特量子隐形量子密钥量子通信 正文 量子纠缠现象 史上最怪、最不合理、最疯狂、最荒谬的量子力学预测便是“量子纠缠”。量子纠缠是一种理论性的预测，它是从量子力学的方程式中得来的。如果两个粒子的距离够近，它们可以变成纠缠状态而使某些性质连接。出乎意料的是，量子力学表明，即便你将这两个粒子分开，让它们以反方向运动，它们依旧无法摆脱纠缠态。 以电子的“自旋”作例子，电子的自旋直到你观测它的那一刻才能决定，当你观测它时，就会发现它不是顺时针转就是逆时针转。假设有两个互相纠缠的电子对，当其中一个顺时针转时，另一个就逆时针转，反之亦然。不过奇怪之处是它们并没有真正连接在一起。对量子理论坚信不疑的波尔和他的同事们相信，量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态，即便它们一个在地球，一个在月球，没有传输线相连，如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转，那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说，如果你对其中一个粒子进行观测，那么你不止是影响了它，你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴，而且这与两个粒子间的距离无关。两个粒子的这种怪异的远距离连接，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。 波尔所拥护的量子力学方程式表明，相互纠缠的粒子即使相距很远，也可以互相连接。而克劳泽与阿斯佩的实验证明了量子力学的方程是正确的，纠缠是真实的，粒子可以跨越空间连接——对其一进行测量，确实可以瞬间影响到它远方的同伴，仿佛跨越了空间限制。 量子纠缠态特性 经典信息的基本单元是比特（bit），它是一个两态系统，可制备为两个可识别状态中的一个，例如：0或1。量子信息的基本单元称为量子比特（qubit），它也是一个两态系统，且是两个线性独立的态。量子比特的两个可能状态可表示为：|0>和|1>。量子比特和比特之间的最大区别在于量子比特还可以处在|0>和|1>之间的叠加态（superposition）上，因此量子比特的状态可看成是二维复向量空间中的单位向量。比特可以看成是量子比特的特例。 信息用量子态来表示便实现了信息的“量子化”，这是量子信息学的出发点。信息一旦量子化，量子力学特性便成为信息处理过程的物理基础：信息的演化遵从薛定谔方程，信息的传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理和计算是对量子态的幺正变换，信息提取则是对量子系统实行量子测量。
浅谈我国量子通信技术的发展现状及未来 趋势 量子通信具有超强安全性、超大信道容量、超高通信速率、超高隐蔽性等特点，其发展历经30余年，在理论上日益成熟，技术方案已逐渐从实验室走向了实用化，我国在量子通信技术领域也取得了丰硕成果。 【关键词】量子通信技术；发展现状；未来趋势 【Abstract】The quantum communication has the characteristics of super security，large channel capacity，super high communication speed and ultrahigh concealment. After 30 years of development，it has matured theoretically，and the technical scheme has gradually moved from the laboratory to the practical. Quantum communication technology has also achieved fruitful results. 【Key words】Quantum communication technology；Development status；Future trend 量子通信是利用量子纠缠效应改变量子态，从而实现信息传递的一种新型的通信方式，它是量子论和信息论相结合的新研究领域。量子通信具有超强安全性、超大信道容量、超高通信速率、超高隐蔽性等特点，其发展历经30余年，在理论上日益成熟，技术方案已逐渐从实验室走向了实用化，我国在量子通信技术领域也取得了丰硕成果。
空间量子通信技术 陈彦，胡渝 （ 电子科技大学 物理电子学院，成都 610054 ） 摘要：利用卫星来分发单光子（或纠缠光子对）的方法为远程量子通信网络提供了一种独特的解决方案。这将克服现有的光纤和陆上自由空间链路所带来的距离限制，实现真正意义上的全球量子通信。本文对这种设想进行了分析，证明这种设想有很高可行性。 关键词：量子通信; 空间技术; 光子分发 中图分类号：TN929.11；0431.2 文献标识码：A Quantum Communications in Space CHEN Y an ，HU Yu （Institute of Physics and Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu，610054 ） Abstract：Using satellites to deliver single photon or entangled photon pairs is a unique solution to realize long-distance quantum communications networks. This solution is able to overcome the disadvantage of transmission distance when using fiber and terrestrial free space optical links. And global quantum communications may be realized in this way. A scheme of using satellite to deliver single photon or entangled photon pairs is described，and the possibility of the scheme is proved. Key words：quantum communications; Space technology; photon deliver 1 引言 量子通信具有“容量大、速度快、通讯保密性极强”的优点，可完成经典信息处理方法所不能完成的任务。利用量子通信可以建立无法破译的密钥系统，因此量子通信已经成为当今研究的热点。已经在标准光纤信道中，已经实现了距离超过100KM的量子密钥分配实验。同时，还在23km的自由空间信道中，实现了基于单光子的量子密钥分配[1]；在600m的自由空间中实现了基于纠缠光子对的量子密钥分配实验[2]。目前对量子通信的理论方案和实验研究，主要集中于利用光纤信道和点对点的陆地无线光信道。但光子在光纤和陆上自由空间信道中的传输距离只是局域性的，无法满足全球性的量子通信的需要。人们需要一种新的量子通信方案。 2 在空间中进行量子通信 单光子（纠缠光子对）的分发是实现量子通信的前提。当光子在光纤信道中传输时，其能量会随传输距离的增加而衰减，光子的偏振特性也会在传输过程当中发生变化；若利用陆上自由空间信道，则光子的能量会被大气信道吸收而衰减，同时链路的维持也会受到大气条件或陆上阻碍物的影响。因此，单光子在现在的硅光纤和陆上自由空间中的传输距离受到了限制，从而无法实现全球范围内的量子通信。而现在已得到广泛应用的卫星通信和空间技术却给全球性的量子通信提供了一种新的解决方案。它可以克服光纤和陆上自由空间链路的通信距离限制，极大地延伸量子通信的范围，实现真正意义上的全球性量子通信。 2.1 空间量子通信方案 按照单光子（纠缠光子对）发送者的不同，空间量子通信方案可分为地基和空基两种。下面分别介绍这两种方案。 2.1.1 地基（earth-based）方案 地基方案设想包括一个地基发射终端，该终端可以向地面站和卫星分发单光子，或者进行纠缠光子共享。这样就能在这些通信终端之间进行量子通信。其中最简单的情况，是一个地面终端与另外一个地面终端进行直接的通信，即陆上自由空间量子通信链路。如前所述，这种情况的通信距离有限。而由单个地面终端和单个卫星终端组成的上行链路，
题目浅谈量子通信技术课程现代通信技术基础班级 学号 姓名 指导老师 2011 年12月10日
浅谈量子通信技术 摘要：量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，量子通信具有高效率和绝对安全等特点，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。 关键词语: 量子通信量子力学 1、引言 量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。但是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此长期以来，隐形传送不过是一种幻想而已。 2、量子通信的的提出 自1 9世纪进入通信时代以来,人们就梦想着像光速一样(甚至比光速更快)的通信方式.在这种通信方式下,信息的传递不再通过信息载体(如电磁波)的直接传输,也不再受通信双方之间空间距离的限制,而且不存在任何传输延时,它是一种真正的实时通信.科学家们试图利用量子非效应或量子效应来实现这种通信方式,这种通信方式被称为量子通信.与成熟的通信技术相比,量子通信具有巨大的优越性,已成为国内外研究的热点.近年来在理论和实践上均已取得了重要的突破,引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视.从人类信息交流
量子通信的基本原理 量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置.按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类.前者主要用于量子密钥的传输,后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发.所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送.从物理学角度,可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息,然后将这些信息传送到接收地点,接收者依据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本单元,制造出原物完美的复制品.但是,量子力学的不确定性原 理不允许精确地提取原物的全部信息,这个复制品不可能是完美的.因此长期以来,隐形传送不过是一种幻想而已.\x0d1993年,6位来自不同国家的科学家,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处.其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者.经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品.该过程中传送的仅仅是原物的量子态,而不是原物本身.发送者甚至可以对这个量子态一无所知,而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上.在这个方案中,纠缠态的非定域性起着至关重要的作用.量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实,因此,量子力学展现出许多反直观的效应.在量子力学中能够以这样的方式制备两个粒子态,
在它们之间的关联不能被经典地解释,这样的态称为纠缠态,量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联.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意义,而且可以用量子态作为信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信. 1997年,在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输.这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上.实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并不被传输.最近,潘建伟及其合作者在如何提纯高品质的量子纠缠态的研究中又取得了新突破.为了进行远距离的量子态隐形传输,往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态.但是,由于存在各种不可避免的环境噪声,量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差.因此,如何提纯高品质的量子纠缠态是目前量子通信研究中的重要课题.近年,国际上许多研究小组都在对这一课题进行研究,并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案,但是没有一个是能用现有技术实现的.最近潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案,原则上解决了目前在远距离量子通信中的根本问题.这项研究成果受到国际科学界的高度评价,被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃”.\x0d参考资料：《科技日报》\x0d量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置.按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类.前者主要用于量子密钥
关键词:量子通信安全性中国发展 摘要:用国际顶级量子专家王肇中教授的话说，量子通信就是单模光纤两端加上能代替常用光模块功能的、光量子态的发送和接收设备，实现基于物理加密的保密通信。 量子通信技术基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。为了拓展应用、与现有通信系统兼容以及大量减少成本，需对点对点的通信方式进行组网并充分利用经典通信设施。与此同时，量子克隆技术的出现也使得我们开始重新审视量子通信的安全性问题。量子通信是相对最安全的，但任何事情都不是绝对的，有矛就有盾。一方面有“量子非克隆原理”，另一方面有实现近似量子克隆的“量子克隆机”。怎样可靠地评估安全性？怎样进行攻击？是值得研讨的问题。在不久的将来，量子通信与经典通信的融合发展将会带来通信世界的新纪元。 例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0~127。光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的128次。可以想象如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的2，以及更高。 1. 欧洲联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立了SECOQC量子通信网络[8][9]。并于2008年10月在维也纳现场演示了一个基于商业网络的安全量子通信系统。该系统集成了多种量子密码手段，包含6个节点。其组网方式为在每个节点使用多个不同类型量子密钥分发的收发系统并利用可信中继进行联网。 息量子通信验证网”在北京开通，在世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。 2014年11月15日，团队研发的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，刷新世界纪录。 2. 应用与用途 潘建伟教授指出，量子通信技术的实际应用将分三步走：一是通过光纤实现城域量子通信网络；二是通过量子中继器实现城际量子通信网络；三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网络。 对市场角度来说，互联网本质上是一个不安全的网络，而量子通信在理论上的绝对保密特征，已经得到物理定理的证明，很显然在军事、国防、金融等领域有着广阔的应用前景。在大众商业市场，随着技术成熟，量子通信也将具有极大的发展潜力。 3.量子通信技术的发展趋势 4.不足 但量子通信本身，仍然处在研究阶段，还远远没有达到大规模商用化的水平，实用的量子通信网络其保密的绝对性还有待商榷。 量子通信面临四项难点：可扩展、强抗毁、广覆盖、立体化 子密钥分发在未来推广应用方面面临两大挑战：融合性和安全性。量子通信从量子力学的
doi：10．3969/j．issn．1002－0802．2014．05．001 量子通信技术发展现状及面临的问题研究 徐兵杰1，刘文林2，毛钧庆3，杨燕3 （1．保密通信实验室，四川成都610041；2．解放军95830部队，北京100093；3．解放军91746部队，北京102206） 摘要：量子通信具有更高的传输速率和更可靠的保密性，是世界各国正在研究和发展的通信技术热点之一。首先介绍量子通信技术的基本概念、发展历程、系统架构、特点优势，然后重点阐述国内外量子密钥分配、量子隐形传态、量子安全直接通信、量子机密共享等技术的研究进展情况，最后分析量子通信技术研究和发展过程中面临的困难及局限。 关键词：量子通信密钥分配隐形传态机密共享 中图分类号：TN91文献标志码：A文章编号：1002－0802（2014）05－0463－06 Ｒesearch on Development Status and Existing Problems of Quantum Communication Technology XU Bing－jie1，LIU Wen－lin2，MAO Jun－qing3，YANG yan3 （1．Science and Technology on Communication Security Laboratory，Chengdu Sichuan610041，China； 2．Unit95830of PLA，Beijing100093，China；3．Unit91746of PLA，Beijing102206，China）Abstract：Quantum communication is a new communication technology under research and development，which possesses higher transmission rate and reliable secure communication advantages．This paper intro-duces the concepts，development，system architecture，features and advantages of quantum communication technologies firstly．Then it focuses on demonstrating the technology research progress of quantum commu-nication，such as quantum key distribution，teleportation，secure direct communication and secret sharing．Finally，the research and development difficulties of quantum communication technology and limitations are analyzed in this paper． Key words：quantum communication；key distribution；teleportation；secret sharing 0引言 量子通信基于量子力学原理，将微观世界的物质特性运用到通信技术上，在高速传输和高可靠保密通信方面具有优势，成为当今通信技术领域的研究热点之一。世界各国纷纷投入大量的人力和物力进行研究和开发，在理论研究和实验技术上均取得了重大突破。 1量子通信技术 1．1基本概念 量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术，由量子论和信息论相结合而产生［1］。从物理学角度看，量子通信是在物理极限下利用量子效应现象完成的高性能通信，从物理原理上确保通信的绝对安全，解决了通信技术无法解决的问题，是一种全新的通信方式［2］。从信息学角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子隐形传输等量子特性，借助量子测量的方法实现两地之间的信息数据传输。量子通信中传输的不是经典信息，而是量子态携带的量子信息，是未来通信技术的重要发展方向。 1．2发展历程 量子通信的研究发展起步于20世纪80年代［3］。1969年，美国哥伦比亚大学Wiesner提出采用量子力学理论保护信息安全的设想。1979年，美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard提出了将Wiesner的设想用于通信传输的 第47卷第5期2014年5月 通信技术 Communications Technology Vol．47No．5 May．2014
量子保密通信案例介绍 1、金融领域 通过与中国人民银行和中国银监会合作，开展了金融行业量子保密通信应用，包括同城数据备份和加密传输、网上银行加密、异地灾备、监管信息采集报送、人民币跨境收付系统应用等，并在银行、证券、期货、基金等行业成功开展了应用示范。特别是银行业，已经形成了一批典型示范用户，包括工商银行、中国银行、建设银行、交通银行等国有大型商业银行，民生银行、浦发银行等全国性股份制商业银行及北京农商行等其他商业银行。 中国银监会组织的京沪干线量子保密通信应用在同城数据备份和加密传输应用方面，工商银行、交通银行、北京农商行，浦发银行、民生银行、东方证券、国泰君安期货、华安基金等金融机构已经常态化应用。
在网上银行加密方面，交通银行、工商银行已经常态化应用。2017年2月，交通银行首次把量子保密通信技术应用于企业网银用户的实时交易，通过量子保密通信的高安全性保障客户对资金安全的高要求，标志着量子保密通信从服务银行内部数据安全向为第三方客户提供高等级安全服务跃迁。 在异地灾备方面，交通银行、中国银行、工商银行已常态化应用。2017年2月工商银行率先基于“两地三中心”的数据中心体系，利用量子保密通信技术，将工商银行网上银行业务数据从北京西三旗数据中心通过量子保密通信技术实时传输到上海嘉定和外高桥数据中心。 工商银行异地灾备量子保密通信应用 在监管信息采集报送方面，中国银监会将量子保密通信技术应用于银监会与各相关银监局、各相关银行之间的监管信息数据采集报送系统。2015年7月，银监会与民生银行、银监会与北京银监局之间的监管信息采集系统建设完成并投产。该系统每日进行一次报送，每
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/f37600920.html, 量子通信技术发展中存在的问题分析 作者：刘冬 来源：《中国新通信》2017年第01期 【摘要】量子通信是指用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式，是量子理论 和信息论相结合的新的研究领域，是近20年发展起来的新型交叉学科，目前这门学科已逐步从理论实验走向实用化。英国《自然》杂志曾指出我国量子通信技术发展迅速是一支世界劲旅，我国在为量子通信技术研究硕果欣喜的同时也发现它在实用发展中存在诸多问题。本文从量子通信技术发展中存在的弱相干光源安全性问题、通信技术发展中存在的光子源产生单光子效率低问题两方面进行了浅析。 【关键词】量子通信发展存在问题现状分析 20世纪80年代是量子通信技术研究的开启性时代，其实从历史角度看量子通信技术的研究要早于这个时间，早在20世纪70年代威斯纳已经写出了“共轭编码”这篇著名文章。量子通信技术是在量子力学快速发展的前提下发展的新领域，它在信息传递方面存在很大优势已成为目前研究的热点。但是随着通信技术的快速发展，也存住诸多问题。 一、量子通信技术发展中存在的弱相干光源安全性问题分析 根据量子通信技术研究表明量子通信是利用了光子等粒子的量子纠缠原理，量子纠缠是指在微观世界里两个粒子间的距离不论有多远，一个粒子的变化会影响另一个粒子变化的一种现象。因此，量子通信技术离不开光源技术。由于单光子源技术难度太高，我国量子通信技术一般采用弱相干光源技术，但是这种光源在实用发展中存在诸多安全性问题。 1、量子通信技术发展中存在的单光子分离攻击问题。光子是光最小的单位，单光子是不可再分的。但是我国通信技术使用的弱相干光源技术，它的脉冲中不止一种光子，在理论上这种脉冲中所包括的光子是可以再进行分割的。量子通信系统的基本部件由量子态发生器、量子通道和量子测量装置三部分组成，主要涉及量子密码通信、量子远程传态、量子密码编码等，按量子通信所传输的信息是经典还是量子分为两大类，它的基本思想是将原物信息分成经典和量子两种信息，分别经由经典通道和量子通道传递给接受者，在传递过程中量子通信的通道损耗非常大。对于单光子源技术来讲，即使通道损耗再大也是安全的，因为单光子不可再分割。但对弱相干光源来讲就会存在安全隐患，窃听者可以通过光子分离攻击假冒量子通信技术的通道而获得全部密码，并且不会被量子通信技术发现。 2、量子通信技术发展中存在的木马攻击和侧信道攻击问题分析。量子密码编码是量子通信技术使用中主要涉及部分之一，木马攻击就是利用量子密码信号源和接收器等部件的设计漏洞进行攻击，有效窃取量子通信技术里的量子保密系统的内部信息。这种窃取信息的方法主要有侧信道攻击、光能部件高能破坏攻击和大脉冲攻击等。[1]
量子通信 一．经典通信系统模型 经典通信系统可以用下图所示的模型描述。 信源（Information source）：指产生消息的源泉。信息总是一个物理系统，其形态随空间坐标或时间变化。 空间信源(space source)：系统随时间改变形态，它生产在空间传输的信号，这样的物理系统称为空间信源。 时间信源(time source)：系统空间各部分有不随时间变化的不同的分布，它可能引起信号在时间中传输，这样的系统称为时间信源。编码(Encoding)：对信源进行处理，以提高信源传输的有效性和可靠性。 信道(Channel)：传输消息的媒介称为信道。 噪声(Noise):在传输过程中，由于干扰使编码的物态发生畸变。引起编码物理态畸变的各种因素称为噪声。 译码(Decoding)：由信道输出物态恢复信源输出的消息的过程叫译码。 信宿(Destination)：是消息传输的归宿和的地，即接收消息的人或仪器。
量子信息通信简介 量子信息科学是物理学与信息科学交叉融合产生的新兴学科领域，涉及物理、计算机、通信、数学等多个学科，对带动这些学科的发展具有重要意义。量子信息学为未来信息科学的革命性变革提供了可靠的物理基础。量子信息技术在运算速度、信息安全、信息容量等方面可突破传统信息系统的极限。 一．量子信息通信物理基础 1. 量子位（Quantum Bit: qubit ） 在经典信息理论中，信息量的基本单位是比特(bit)，一个比特是给 出经典二值系统一个取值的信息量. 例如，{0,1} 在量子信息理论中，量子信息的基本单位是量子比特(qubit)。一个 qubit 是一个双态量子系统，即两个线性独立的态，常记为：|0>和 |1>。以这两个独立态为基矢，张成一个二维复矢量空间，即二维Hilbert 空间。 量子位的物理载体： 光子： ()()>+>->=>+>>=y i x L y i x R ||21 | ,||21 | |R>: 右圆极化偏振光， |L>： 左圆极化偏振光。 自旋1/2的粒子： |0＞，|1＞ 二能级原子： |g ＞，|e ＞ 迭加态： >+>>=1|0||b a ψ |a|2, |b|2分别为测量时得到|0>,|1>的几率。 n 个qubit 态：张成一个2n 的Hilbert 空间，有2n 个相互正交的态：>i | ， i 是一个n 位二进制数。 例如：3个量子位有8个量子态： |0>, |1>, |2>, |3>, |4>, |5>, |6>, |7> |000>, |001>, |010>, |011>, |100>, |101>, |110>, |111>
我国量子通信行业发展现状 2015年12月11日，欧洲物理学会新闻网站“物理世界”公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破，中国科学院院士潘建伟和陆朝阳等完成的科研成果“多自由度量子隐形传态”入选并名列榜首。 事实上，中国的量子通信技术已经达到世界顶尖水平，领先欧美国家不止一个身位。2016年，世界上第一条量子通信保密干线——“京沪干线”将正式建成，同时，由中国科学家自主研发的世界首颗“量子科学实验卫星”也是发射在即。安信证券分析师李伟认为，2016年将是量子通信规模应用元年。 虽然科研水平高于欧美，但在国外，量子信息的研究主要是由Google、IBM、微软等科技巨头承担，中国急需一批企业将科研成果应用到商业市场上。2015年10月，阿里云与中科院旗下国盾量子在2015云栖大会上联合发布量子加密通信产品，随后又与中国科技大学等单位成立“中国量子通信产业联盟”，成为量子通信商业化的领跑者。 国内企业和研究机构加强合作，共同推进产业化。我国从事量子计算实验研究的主要单位是中国科技大学、清华大学、国防科技大学、南京大学和中国科学院武汉物理数学研究所等。2015年7月30日，阿里云与中科院在上海联合创立量子计算实验室，研究量子安全，计算领域。2015年8月31日，蓝盾科技晚间发布公告称，公司与华南师范大学信息光电子科技学院签署了《共建量子密码技术联合实验室框架协议》，双方拟共同筹建量子密码技术联合实验室。2015年11月13日，中航工业与中国科大共建量子技术研发中心。 我国量子通信行业项目建设情况 广域量子通信网络建设分三步走：（1）通过光纤—构建城域量子通信网络；（2）通过加中继器—构建城际网络；（3）通过卫星—实现洲际、星际网络。 2012年2月，由中国科学技术大学和安徽量子通信技术有限公司与合肥市合作的城域量子通信实验示范网建成并进入试运行阶段，使合肥市成为全国乃至全球首个拥有规模化量子通信网络的城市。 2013年11月“济南量子通信试验网”投入使用。这是我国第一个以承载实际应用为目标的大型量子通信网，覆盖济南市主城区，包括三个集控站在内共56个节点，涵盖政务、金融、政府、科研、教育等五大领域。 随着量子通信城域网络在中国的迅速发展，越来越多的城市拥有自己的量子通信专网，上海、杭州、广州、深圳、乌鲁木齐等城市也在加紧建设量子通信城域网。为了连接各城市城域网，城际量子通信网络也将逐步建设。计划2016年建成的“京沪干线”将连接北京、济南、合肥、上海、杭州，全长2025公里，提供4城市间网状8Gbps加密应用数据传输业务，总带宽设计100G，总投资额5.6亿元人民币，首批客户
量?通信简介以及原理 中国科学家?前曾经创造了97公?的量?远距离传输世界纪录，引起轰动，不过?江后浪推前浪。新浪科技援引美国物理学家组织?的报道称，维也纳?学和奥地利科学院的物理学家凭借143公?的成绩再创了新?，朝着基于卫星的量?通讯之路迈出了重要?步。 实验中，奥地利物理学家安东-泽林格领导的??国际?组成功在加那利群岛的两个岛屿——拉帕尔玛岛和特纳利夫岛间实现量?态传输，距离达到143公?，?中国的远了46公?之多。 其实，打破传输距离并不是科学家的?要?标。这项实验为?个全球性信息?络打下了基础，在这个?络，量?机械效应能够?幅提?信息交换的安全性，进?确定计算的效率也要远远超过传统技术。在这样?个未来的“量?互联?”，量?远距传输将成为量?计算机之间信息传送的?个关键协议。 在量?远距传输实验中，两点之间的量?态交换理论上可以在相当远的距离内实现，即使接收者的位置未知也是如此。量?态交换可以?于信息传输或者作为未来量?计算机的?种操作。在这些应?中，量?态编码的光?必须能够传输相当?距离，同时不破坏脆弱的量?态。奥地利物理学家进?的实验让量?远距传输的距离超过100公?，开辟了?个新疆界。 参与这项实验的??松(Xiao-song Ma?译)表?：“让量?远距传输的距离达到143公?是?项巨?的技术挑战。”传输过程中，光?必须直接穿过两座岛屿之间的湍流??。由于两岛之间的距离达到143公?，会严重削弱信号，使?光纤显然不适合量?远距传输实验。 为了实现这个?标，科学家必须进??系列技术?新。德国加尔兴?克斯-普朗克量?光学研究所的?个理论组以及加拿?沃特卢?学的?个实验组为这项实验提供了?持。??松表?：“借助于?项被称之为‘主动前馈’的技术，我们成功完成了远距传输，这是?项巨?突破。主动前馈?于传输距离如此远的实验还是第?次。它帮助我们将传输速度提??倍。”在主动前馈协议中，常规数据连同量?信息?同传输，允许接收者以更?的效率破译传输的信号。 泽林格表?：“我们的实验展?了当前量?技术的成熟程度以及拥有怎样的实际?途。第?个?标是基于卫星的量?远距传输，实现全球范围内的量?通讯。我们在这条道路上向前迈出了重要?步。我们将在?项国际合作中运?我们掌握的技术，中国科学院的同?也会参与这项合作。我们的?标是实施?项量?卫星任务。” 2002年以来就与泽林格进?量?远距传输实验的鲁珀特-乌尔森指出：“我们的实验取得了令??舞的成果，为未来地球与卫星之间或者卫星之间的信号传输实验奠定良好基础。”处在低地球轨道的卫星距地?200到1200公?。(国际空间站距地??约400公?)乌尔森说：“在从拉帕尔玛岛传输到特纳利夫岛，穿过两岛间??过程中，我们的信号减弱了?约1000倍。不过，我们还是成功完成了这项量?远距传输实验。在基于卫星的实验中，传输数据更远，但信号穿过的??也更少。我们为这种实验奠定了?个很好的基础。”[2]
量子通信技术的应用 量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子是不可分的最小能量单位，“光量子”即为光的最小能量单位。在量子世界中，存在着一种“纠缠”效应，所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。这种“纠缠”效应能够在两个完全相同的某量子态粒子之间建立某种联系，当其中一个的状态发生变化时，另一个也会发生相同的变化，而且这种变化与时间和空间无关。另外由于对粒子的任何测量都会导致其量子态的变化，所以同时这种变化时不可能被第三者所知获的。利用量子的纠缠效应，我们可以进行绝密和瞬时的通信。 具有两个偏振方向的光子可以认为是一个双态系统。这两个状态可以分别对应目前使用的数据通信中的“0”和“1”。这里以一个简单的双态系统为例，对于处于纠缠态的两个粒子，一旦对其中一个粒子进行测量，确定了它的状态，那么就可以立即获得另一个粒子所处的状态，这一特性称为量子隐形传态。要想实现量子通信，首先需要通信终端共享成对缠结在一起的相同粒子(即纠缠粒子对)，然后对量子态进行信息处理，只要一个粒子的量子态变化，必然影响到另一个与之处于纠缠态的粒子。量子态是信息的载体，只要完成对粒子的量子态的操纵，就可以实现量子信息的传输。 量子通信是通信技术上的又一次划时代革命，具有广泛的应用前景。首先，量子通信可以满足空间远距离、大容量、易组网等方面的要求，量子通信可以用来构筑高速、大容量的通信网络，实现高清晰度图像等大容量超高速数据的传输，为建立量子因特网奠定了坚实的基础。量子通信的传输速率理论上可以与粒子的震动频率相等，这意味着其传输速率可以达到万亿Gbit/s，这对于解决目前的通信带宽瓶颈有着重要的意义。在经典信息论中，传输速率和带宽需要满足香农公式，而信噪比不可能达到无限大，故而传输的速率一定会受到带宽的制约。量子通信突破了香农公式的制约，将带宽和传输速率提高到无限。 其次量子通信可以实现完全保密通信，这使得量子通信在军事、国防、国民经济建设等领域都有重要作用。在目前的通信模式中，就连保密性最高的光纤通信，也存在被窃听的可能性。由于量子纠缠效应严格的应用条件，任何窃听的尝
实用类文本阅读（本题共3小题，12分） 材料一： 中国首颗量子卫星“墨子号”在不到一年的时间里就完成了原定两年完成的星地高速量子密钥分发、量子纠缠分发和地星量子隐形传态实验三大科学目标。科学家制订了后续拓展实验计划，进一步探索量子通信技术研究与应用，并筹划发射数颗量子卫星，构建全球量子通信网络。 量子卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟介绍，其团队下一步将与欧洲量子通信团队合作进行洲际量子密钥分发。目前已经顺利完成与奥地利格拉茨地面站的对接测试，正在开展量子密钥分发实验，8月底将具备洲际量子保密通话的条件。 潘建伟说，中国与德国和意大利等国的洲际量子密钥分发合作也正在计划中。德国、意大利的地面站预计在2017年年底做好开展相关实验的准备。这表明“墨子号”不仅可跟中国的设备对接，也可与世界其他国家符合要求的设备对接。此外，科研团队还将努力实现量子通信与经典光通信相融合的安全信息传输，与有需求的用户对接，开展量子通信现实应用。 潘建伟说，目前“墨子号”实现的天地量子密钥分发有个前提，就是“墨子号”必须可靠，因为密钥是“墨子号”发送的，如果“墨子号”把密钥泄露出去，那么整个过程就不安全了。他说，科研团队下一步还要开展基于量子纠缠的远距离量子密钥分发实验。一旦成功，将最终实现所有密码学者梦想的“圣杯”。他希望这项工作今年能够完成。 在更长远的规划中，中国科学家的目标是建立全球化的量子通信网络。 量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇说，单颗低轨卫星无法直接覆盖全球。目前“墨子号”一次过境开展实验的时间约为10分钟。如果卫星在1万公里的轨道上，那么发送密钥的时间就可持续几个小时。如果卫星在3.6万公里的轨道上，地球的三分之一就能一直看到卫星，这些地方就在任何时候都可以保密通信。所以理论上有三颗高轨卫星就能覆
什么是量子通信技术？ 它的过去，现在，未来如何？ 量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。 量子通信具有高效率和绝对安全等特点，是此刻国际量子物理和信息科学的研究热点。追溯量子通信的起源，还得从爱因斯坦的"幽灵"--量子纠缠的实证说起。 由于人们对纠缠态粒子之间的相互影响一直有所怀疑，几十年来，物理学家一直试图验证这种神奇特性是否真实。 1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特(Alain Aspect)和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子"量子纠缠"(quantum entanglement)的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。从笛卡儿、伽利略、牛顿以来，西方科学界主流思想认为，宇宙的组成部份相互独立，它们之间的相互作用受到时空的限制(即是局域化的)。量子纠缠证实了爱因斯坦的幽灵--超距作用(spooky action in a distance)的存在，它证实了任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的(nonlocal)，宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。
中国量子通信行业发展问题及建议分析 一、行业认识误区 中投顾问在《2016-2020年中国量子通信行业深度调研及投资前景预测报告》中提到，由于量子通信有广义、狭义之分，因此公众在认识和理解量子通信时容易产生混淆和误解。而一些媒体在报道时的过度渲染，也使人们对量子通信的认识产生了一些误区。 误区一：与经典通信彻底决裂 不管是量子密钥分发，还是量子隐形传态，从二者的设计方案可知，它们均未脱离经典通信的方式。量子密钥分发只是负责产生和分发通信需要的密钥，而真正的信息经由加密生成的密文，必须通过经典信道进行传输。在量子隐形传态中，同样也要用经典信道将测量的信息传送出去，经典信息与量子信息联合起来才能实现量子隐形传态。所以，将量子通信与经典通信彻底决裂的理解是不正确的。 误区二：超时空传物 量子通信是利用了光子等粒子的量子纠缠现象。爱因斯坦将量子纠缠所隐含的量子非定域性称为“幽灵般的超距作用（spooky action at a distance）”。近几年不断在实验中得以实现的量子隐形传态，很容易使人误以为物体的超时空传送将有望实现。事实上，在量子隐形传态的实验中，超时空传输的仅仅是信源光子的量子态，而并非光子本身。接收方只是让另一个不同的光子变成信源光子状态的复制品，这与超时空传物有本质区别。 误区三：超光速 同样由于神奇的量子纠缠效应，在量子隐形传态过程中，纠缠的粒子间的状态改变是瞬间发生的，有人甚至推测得出其速度超过光速10000倍。然而，由于此过程中仍有经典信息传输的参与，接收方还需要这个经典信息对量子态进行操作才能最终得到信源量子态的复制品，因此基于量子隐形传态的量子通信仍旧受限于经典信息的传输速度，它也并不是人类梦想实现的超光速之旅。 以上是人们对于量子通信在认识和理解上几个最典型的误区。澄清这些误区，有助于社会公众更加客观地认识和理解量子通信，让量子通信技术能更好、更快地为人们所接受，从而利于在较大的范围推广和应用，同时也有益于量子通信产业的健康发展。 二、发展对策建议 中投顾问在《2016-2020年中国量子通信行业深度调研及投资前景预测报告》中表示，量子通信是关系到国家信息安全的战略性技术和产业，发展潜力巨大。在推进量子通信实用化方面，我国已走在世界前列。 中投顾问·让投资更安全经营更稳健
量子通信基本原理及其发展 量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通信是20世纪80年代开始发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，21世纪初，这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。 量子通信又称量子隐形传送（QuantumTeleportation），“teleportation”一词是指一种无影无踪的传送过程。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。量子通信是一种全新通信方式，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，是未来量子通信网络的核心要素。 按照常理，信息的传播需要载体，而量子通信是不需要载体的信息传递。从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元（如：原子），制造出原物完美的复制品。 量子隐形传送所传输的是量子信息，它是量子通信最基本的过程。人们基于这个过程提出了实现量子因特网的构想。量子因特网是用量子通道来联络许多量子处理器，它可以同时实现量子信息的传输和处理。相比于经典因特网，量子因特网具有安全保密特性，可实现多端的分布计算，有效地降低通信复杂度等一系列优点。 量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，与成熟的通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点，是21世纪国际量子物理和信息科学的研究热点。 2 研究历史 1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特（AlainAspect）和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”（quantumentanglement）的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。从笛卡儿、伽利略、牛顿以来，西方科学界主流思想认为，宇宙的组成部份相互独立，它们之间的相互作用受到时空的限制（即是局域化的）。量子纠缠证实了爱因斯坦的幽灵——超距作用（spookyactioninadistance）的存在，它证实了任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。 在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信（QuantumTeleportation）的概念。量子通信概念的提出，使爱因斯坦的“幽灵（Spooky）”——量子纠缠效益开始真正发挥其真正的威力。1993年，在贝内特提出量子 通信概念以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案，即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处，这就是量子通信最初的基本方案。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意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。 1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实 现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。 为提高通信质量，科学家们还在减少干扰源方面努力。2006年，欧洲科学家让光子在 自由空间而不是光纤中完成了一次量子通信过程。通信在相距144公里的西班牙加纳利群岛