47、量子通信的原理课件--35页 PPT PDF版

量子密钥分发基于量子力学中的不确定性原理和测量 坍缩 原理，能够检测到窃听者对量子态的干扰，从而保证密钥 分发的安全性和可靠性。
量子密钥分发的安全性
量子密钥分发利用量子态的不可克隆性和测量 坍缩原理，确 保了密钥分发的安全性。在量子密钥分发过程中，任何窃听 者对量子态的干扰都会被检测到，从而保证了通信双方能够 生成相同的密钥。
量子系统可以同时处于多个状态的叠加态，即一个量子比特可以同时表示0和1 。
量子纠缠
两个或多个量子比特之间存在一种特殊的关联，当一个量子比特的状态发生变 化时，另一个量子比特的状态也会相应地发生变化，无论它们相距多远。
量子密钥分发
量子密钥分发
利用量子态的特性，通过量子信 道安全地分发密钥，用于加密和 解密信息。
量子随机数生成器
量子随机数生成器
利用量子力学的特性，产生真正的随机数，这些随机数在应用中具有很高的价值和重要性 。
量子随机数生成器的原理
基于量子力学的测量原理，每次测量都会得到一个随机的结果，因此可以用来产生真正的 随机数。
量子随机数生成器的应用
在密码学、统计学、计算机科学等领域中都有广泛的应用，例如在加密算法、模拟和机器 学习中都需要用到随机数，而量子随机数生成器可以提供更安全和更可靠的随机数源。
与传统的加密方式相比，量子通信需要更加复杂的设备和 更高的技术要求。然而，随着技术的不断进步和成本的降 低，量子通信将在未来得到更广泛的应用和推广。
PART 05
量子通信的挑战与未来发 展
量子通信的挑战
技术成熟度
目前量子通信技术仍处于发展 阶段，尚未完全成熟，需要进
一步研究和改进。
通信安全
虽然量子通信具有很高的安全 性，但仍面临一些潜在的安全 威胁和攻击，需要加强安全防 护措施。

在网通公司的光纤中实现了125km的量子密钥传输 • 2007年，欧洲联合研究组在自由空间中实现了纠缠态光子的144km距离的
量子通信。 • 意大利和奥地利科研小组，首次识别出从地球上空1500km处的人造卫星上
反射回地球的单光子，实现了太空传输量子信息的重大突破。这一突破表 明在太空和地球之间可以构建安全的量子通道来传输信息用于全球通信。
量子保密通信的研究状况－应用
• 2002年，瑞士日内瓦大学-光纤中量子密码通信距离为67km。 • MIT于2001年发布了建立量子互联网的详细计划，并宣称已具备建立量子
互联网的技术。该计划打算在三年内建成量子互联网，并首先在麻省理工 学院建立3个节点。 • 日本从2001年开始十年内投资400亿日元实施“量子通信技术”计划。研 究课题有无法破译的密码技术、量子通信所需要的超高速量子计算机和传 输技术。并计划在2020～2030年使保密通信网络技术达到实用化水平。 • 2004年6月3日，美国防高级研究计划局资助开发的世界上第一个量子密码 通信网络在马萨诸塞州剑桥城投入运行实验。这套网络目前有6个节点，通 过普通光纤传输量子密码加密的数据，与现有互连网技术完全兼容，网络 传输距离约为10千米。 • 2008年，奥地利的科研人员正在完成覆盖欧洲的量子网络通信。 • 2009年，安徽量子政务网和量子电话网络投入使用。
量子远程传态： Quantum teleportation
检测序列 SB
上信道
CE3 SR6 SR7 W4
SR4 SR5 W3
量子信道 下信道
信息序列 SA
CE4
信息发送方 Alice
CM2 经典信道
信息接收方 Bob
量子机密共享： Quantum secret sharing

若输入量子状态的密度算子为 ，输出量子态 的密度算子为 ' ，则量子信道可表述为映射：
即经过信道后，映' 射 (为) 。
（6- 1）
'
（1）量子信道的酉变换表示
若信道对量子态的变换可用酉算子U表 示，则称 () U U †为信道的酉变换表示形式， 经过信道后状态 变为 。U输入输出过程 如图6.1所示，其中酉变化可以用一个量子 线路来实现。
具有运算元 {Ek} 的保迹或非保迹的量子运算 ，必
存在起始于纯态的一个环境E，以及由酉算子U和E 上的投影算子P所表征的动力学过程，使得有
() trE (PU( e0 e0 )U†P)
（6-17）
这里仅说明当() 为保迹量子运算时，目的是寻找
合适的U算子模拟这一过程，其中， ( )的算子和表示中
若将信道对量子态的作用看作测量，且测量
算子为 M m
，则m ()
M
m
M
† 为用测量算子描述
m
的信道模型。系统在测量后的状态 m () ，
获得这个结果的概率为
p(m)
tr
(
m
(
tr (
))
m (
。
))
6.1.2 量子信道的公理化表示
量子信道的公理化表示，与前述方法相比较 为抽象，但适用范围更广。如前所述，量子 信道定义为从输入空间 Q1 的密度算子集合到 输出空间 Q2 的密度算子集合的一个映射，该 映射具有以下性质
公理1：当初始状态为 时，tr[m ()] 表示由 表
征的过程出现的概率，
0 tr[m ()] 1
公理2：若 为密度矩阵集合上的一个凸线性映
射，即对概率{Pi} ，有

2020/4/6
public communication
Teleportation
粒子2 粒子1
Alice
粒子3
Bob
EPR Source
① Alice拥有一个粒子1处于未知态，其可以表示为
1 （ 2 2 1）,和表示要送的量子信息
② 粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子2,Bob拥有粒子3.
3c 1 0 3d
2020/4/6
Information Encoding and Decoding
R x R R x R .........
Alice EPR1: .........
Bob EPR2: .........
Information: 0 1 1 0 ...............
2020/4/6
Heisenberg 的测不准原理
由测不准原理可知, 对任何一个物理量的测 量都不可避免地对另一物理量产生干扰。 这 就使得通信双方能够检测到信息是否被窃听, 这一性质使通信双方无须事先交换密钥即可 进行绝密通信。 量子加密学为人们提供了一 种无条件安全的希望，并且不象一次一密的 密钥, 任何窃听量子密钥交换和拷贝密钥的 人不可能不被检测到。
2020/4/6
量子不可克隆定理
Wootters 和 Zurek 曾于1982 年在《自然》杂志 上撰文提出了如下问题: 是否存在一种物理过程, 实现对一个未知量子态的精确复制, 使得每个复制 态与初始量子态完全相同呢？Wootters 和 Zurek 证明, 量子力学的线性特性禁止这样的复制, 这就 是量子不可复制定理的最初表述。
2020/4/6
• 玻尔和爱因斯坦的争论
• 经典理论：条件定，结果唯一 • 量子理论：条件定，结果不唯一

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QUANTUM COMMUNICATION TECHNOLOGY
量子信息技术及应用简介
01 技术原理简介 02 应用特点难点 03 发展方向用途 04 国际应用现状
Part 01
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10.量子通信的应用
在网络信息安全威胁日益严峻的大背景下， 量子通信作为能够在物理层提供无法被窃听和破 解的绝对安全信息传输的通信技术手段，对于网 络安全和国家安全的战略意义不言而喻。
同时随着量子通信技术的发展，量子通信必 将作为常规通讯手段，走入寻常百姓家。
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Thank you!
2.1993提出量子隐形传送的方案
基本思想：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:发送者对原物进行某 种测量而获得的。 量子信息:发送者在测量中未提 取的其余信息。
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9.中国贡献
3.1997年潘建伟与荷兰学者波密斯特等人首次实现了未知量子态 的远程传输。 4.中科大潘建伟教授及其同事，首次实现了具有存储和 读出功能的纠缠交换，实现了“量子中继器”，向量 子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。 5.2010年，中国科技大学和清华大学的自由 空间量子通信实验将通信距离从数百米记 录一步跨越到16公里。 6.2012.08.09，中国科技大学的研究人员再 次创造了新纪录，将通信距离扩大到了97 公里，横跨中国的一个湖泊。
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量子通信
电信工（1）班 秦善达 方诚
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1、量子通信的起源
爱斯派克特和他的小组成功地完成了 1982年，法国物理学家艾伦· 一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”的现象确实存在。
在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学C.H.Bennett提出 了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。
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7.量子通信传输的信息
经 典 信 息
用于 量子密钥的传输 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 幻想 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 11/17 物完美的复制品。 量 子 信 息 用于

一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片
2024/5/27
几乎可以肯定，世界上没有第二张照片，能像 这张一样，在一幅画面内集中了如此之多的、 水平如此之高的人类精英~~
这是1927年在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会 议上的照片。在这次会议上，爱因斯坦和玻尔 这两个当时世界上最顶尖的物理学家，进行了 科学史上著名的学术辩论。在这次辩论中，玻 尔所代表的新生量子论学派获得了更广泛的支 持，而维护经典理论的爱因斯坦则被认为不合 时宜，站到了对立面。
薛定谔的猫是死是活？
体系的总体波函数代表 猫既活又死的混合状态。 这以常识而论是荒谬的， 猫似当非死即活。
2024/5/27
t
1 2
活
死
对于这只猫的多世界解释
• 这只猫即是死的又是活的。只是分别在不 同的世界中，在观测者打开盒子的那一刹 那，整个世界分裂成两个，在一个世界里 观测者看到的那只猫活了下来，在另一个 世界里，观测者看到的那只猫不幸死去。 除此之外的世界完全一样。
2024/5/27
Heisenberg 的测不准原理
由测不准原理可知, 对任何一个物理量的测 量都不可避免地对另一物理量产生干扰。 这 就使得通信双方能够检测到信息是否被窃听, 这一性质使通信双方无须事先交换密钥即可 进行绝密通信。 量子加密学为人们提供了一 种无条件安全的希望，并且不象一次一密的 密钥, 任何窃听量子密钥交换和拷贝密钥的 人不可能不被检测到。
量子信息
微观粒子允许同时处在 0 和 1 两个 态上，这是其波粒二象性的结果。
C1 0 C2 1 , C1,C2为任意复数,
C1 2 C2 2 1 (叠加态)
2024/5/27
罗马字母发音
2024/5/27

特性：充满整个空间，遵从经典电磁 场理论。
微观粒子
特点：同时具有粒子性和波动性。
C B A
A,B,C,…为探测器
设想空间中有一个微观粒子， 任何时刻有可能在空间中任何点探 测到粒子（类似经典波的特性）， 但一旦探测到只能在其中一个探测 器处发现该粒子（类似经典粒子的 特性）。
●经典粒子在某个时刻只能处于确定的
量子特性应用到信息领域 中可以发挥出独特的功能，在 提高运算速度、确保信息安全、 增大信息容量等方面可以突破 现有的经典信息系统的极限。
科普【量子通信】4_标清_clip(1).flv
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。
B.EPR佯谬
B A
EPR佯谬
EPR粒子对
EPR效应：非局域性是量子力学的基
本性质。 纠缠态
c.量子态的非克隆性 （Non-Cloning）
定理：由于量子力学的态 叠加原理，量子系统的任 意未知量子态，不可能在 不遭破坏的前提下，以确 定成功的概率被克隆到另 一个量子体系上。
设
为二维空间任意量子态
普朗克 1900年 辐射量子假说
爱因斯坦 1905年 光量子
玻尔 1913年 原子的量子理论
德布罗意 1923年 物质波
海森堡 1925年 矩阵力学
薛定谔 1926年 量子波动力学
狄拉克 20世纪30年代 量子场论
经典粒子
特性：每时刻的位置、速度完全确定， 有确定的运行轨迹，遵从牛顿力学。
经典的波
物理状态上；
●量子粒子则可以同时处于各种可能的物
理状态上（叠加态）。
A.“薛定谔猫” ——
宏观量子叠加态

是迄今为止
花骨朵在阳光照耀下，慢慢地长大了 ，开始 开出了 小花， 它开出 的小花 中间有 点发黑 。花朵 的周围 是橘色 的，边 缘渐渐 的过渡 成金黄 色，慢 慢的舒 展开来 ，最后 变成一 朵朵金 灿灿的 小金菊 花了， 真是美 极了。 一阵微 风吹过 ，从花 蕊中散 发出阵 阵清香 。
唯一被严格数学证明的
花骨朵在阳光照耀下，慢慢地长大了 ，开始 开出了 小花， 它开出 的小花 中间有 点发黑 。花朵 的周围 是橘色 的，边 缘渐渐 的过渡 成金黄 色，慢 慢的舒 展开来 ，最后 变成一 朵朵金 灿灿的 小金菊 花了， 真是美 极了。 一阵微 风吹过 ，从花 蕊中散 发出阵 阵清香 。
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又或者在军事领域的水下量子通信。
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幻想
6.研究突破
1.1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念; 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。
2.1993提出量子隐形传送的方案
基本思想：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。
8.爱因斯坦无法解释的现象
量爱 子因 通斯 信坦 的都 魅无 瑞士电信公司在实验中发现，任何隐藏信号从此接收站传送 力法 之解 到彼接收站，仅仅需要一百万兆分之一秒。这一传输速率保 处释 证了接收站能够准确地检测到光子。由此可以推测任何未知 。的 信号的传输速率至少是光速的10000倍。 奇 怪 行 这种现象也许只有通过量子物理学来解释。 为 ， 正 量子物理学认为，任何事物之间都可能存着某种特定的联系。 是 发生于某一物体之上的事件，可能同时对其他物体也会产生影 量 响。这种现象称为“量子纠缠”。不管物体之间的距离有多远， 子 同样存在“量子纠缠”的关系。 物 理 学 而爱因斯坦不仅不接受“量子纠缠”的思想，并且还坚持认为 和 不可能存在比光速还要快的信号，任何比光速快的“鬼魅似的 远距作用”都是不可思议的。
比光速还快！！！
这是由量子力学理论决定的。
3、量子通信研究什么?
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
简单地说，就是利用量子力 学原理中的量子纠缠传输信 息
实验室
4、工作过程是什么？
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。
量子态发生器
量子通道
量子测量装置
4、工作过程是什么？
最后，甲将测量结果（即获得那一个 B ell 态）经由经典通道传递给乙，乙手头的纠缠粒子 C会因甲的测量坍缩到相应的量子态上，于是乙在 获知甲的测量结果之后，对粒子 C做相应的操作， 便可以使粒子 C处在与粒子 A原先未知量子态完 全相同的量子态上，这就完成了粒子 A的未知量 子态的量子隐形传送，此时量子信息的载体是粒 子 C，在这过程中甲和乙都不知道他们所传送的 量子比特是什么。

量子纠错编码
量子通信系统采用量子纠错编码技术,可及时发现并纠正传输过程中的量子比特误码,提高通信可靠性。
量子通信与量子计算的关系
相互促进的技术
量子通信和量子计算息息相关,互为补充。量子通信可用于建立安全的量子信道,为量子计算提供基础;而量子计算的发展又可为量子通信带来新的应用场景和算法支持。两者共同推动了量子技术的进步。
量子密钥分发
量子密钥分发是量子通信的核心应用之一,利用量子力学原理实现绝对安全的密钥分发。最新的QKD系统正不断提高传输距离和速度,为安全通信带来革命性变革。
量子中继和量子互联网
量子中继可克服量子信号衰减,实现远距离量子通信。基于量子中继的量子互联网架构正在研发,将为未来的量子计算机网络奠定基础,为信息安全带来全新突破。
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量子隧穿
量子隧穿是量子力学中一种重要现象,指粒子穿过势垒的量子效应。即使粒子的能量小于势垒,也有一定概率通过势垒。这种效应在半导体和激光等技术中广泛应用。
3
测量与隧穿的关系
量子测量和量子隧穿是量子力学中相关的两个重要概念。量子测量会改变量子系统状态,而量子隧穿是粒子在势垒中跨越的一种独特量子效应。两者都体现了量子力学与经典物理的差异。
量子纠缠与量子隐形传态
量子纠缠
两个或多个量子粒子之间会产生难以描述的量子相互作用,形成一种特殊的量子纠缠态。纠缠粒子之间存在着奇异的联系,即使相隔千里也能即时感应到彼此的状态变化。
量子隐形传态
通过量子纠缠,可以实现在两个远距离粒子之间传递未知量子态的过程,这就是量子隐形传态。这种量子通信技术可以不受距离限制地实现信息的绝对安全传输。
BB84协议原理与实现
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量子密钥分发(QKD)的BB84协议