量子计算技术的现状与前景

高新技术　ＳＣｌＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬ０ＯＹ　．　皿圆　简析量子定位技术及应用前景①　许方星　（中国电子科技集团公司第３８研究所　安徽合肥　２３００８８）　摘要：传统的卫星导航定位秉统技术，其定位精度由于受限于电磁波脉冲的能量与帚宽存在着一定的极限。随着量子力学的发展，利用　具有量子纠缠特性的激光脉冲来取代电磁脉冲信号，可以实现趋近于物理极限的高定位精度，这就是量子定位技术。概述了量子定位的　基本原理和特点优势的基础上，浅折了其关键技术及未来广阔应用前景。　关键词：量子定位　量子纠缠Ｈｏｎｇ—Ｏｕ—Ｍａｎｄｅｌｆ－涉　中图分类号：ＴＮ９ｌ　８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－３７９１（２０１４）０８（ａ）－０００７－０２　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌ　ｉｃａｔｉｏｎ　Ｘｕ　Ｆａｎｇｘｉｎｇ　（Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｈｅｆｅｉ　Ａｎｈｕｉ。２３００８８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｌｏｂａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｓ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｕｌｓｅｓ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｌａｓｅｒ　ｐｕｌｓｅｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｕｌｓｅ　ｓｉｇｎａｌ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅ　ａ　ｈｉｇｈ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｌｉｍｉｔｓ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅｉｒ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｎａｍｅｄ　ａｓ”ｑｕａｎｔｕｍ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ”．ＴＯ　ｄｅｓｃｒｉｂｅ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ。ｗｈｉｌｅ　ｉｔｓ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｒｏａｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｓ　ｗｅｌ１．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｌ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ　ｌ　Ｈ０ｎｇ一０ｕ—Ｍａｎｄｅｌ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　卫星导航定位技术以天基人造卫星为　基本平台，能够为全球海、陆、空、天各类军　民用载体提供全天候、二十四小时连续不　间断的高精度三维位置、速度和时间信息。　目前技术成熟的卫星导航定位系统，包括　美国的全球定位系统（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ），欧洲导航定位卫星系统，我　国的北斗导航系统，广泛应用于交通导航、　卫星授时应用、应急指挥、民用水情测报服　务等，发挥了非常重要的作用。　虽然ＧＰＳ在导航定位领域获得了前所　未有的成功，但仍然存在以下几个方面的　问题。　（１）定位精度仍然不够高，系统体制仍　存在着物理极限。因为ＧＰＳ定位的原理是通　过重复地向空间发射电磁波信号，检测电　磁波到达待测点的时间延迟来实现的，这　种以经典物理学为基础的方法受到所能实　用户络■ｒｏ　Ｉ＿蜃椭　，／＼　／　、、　，　／　＼　／　、，　／　，，　弋　／　、　／　ｒＪ　Ｄｌ　、、　Ｒｔ　母｛　Ｒ２　可一曩时蛾　图１　量子定位系统原理图（单根基线）　现的可利用功率及带宽的限制，其测量精　度很难获得进一步的提高。此外，电磁波信　号受到电离层和对流层的干扰，特别在城　市、山区等复杂自然环境下，由于高层建　筑、树木等对信号的影响，会导致信号的非　直线传播，从而使得不同环境下的导航效　果具有比较大的差异。　（２）保密性较差，美国斯坦福大学设立　有一个专业实验室，主要截获并分析全球　所有的卫星信号，华裔学者Ｇｒａｃｅ　Ｘｉｎｇｘｉｎ　Ｇａｏ在２００８年的博士论文（（Ｔｏｗａｒｄｓ　ｎａｖｉｇａ—　ｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　１２０　ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ：ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｓｉｇｎａｌｓ￣，较为详细地阐述了卫星信号　的跟踪与破译方法，虽然不能确信是否能　够破译所有的伪随机码，但至少是可以部　分破译的。　（３）抗干扰能力差，与其他传感器系统　相比，ＧＰＳ信号强度很弱，因此更加容易受　到电磁干扰，使基于ＧＰＳ的导航系统存在稳　定性漏洞。　由于存在着这些缺陷，美国投入巨资　完善并发展ＧＰＳ系统。基于量子技术的量子　定位系统（Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ，　ＱＰＳ）作为一种定位精度高、保密性能强的　导航定位技术，就是其发展重点之一。量子　定位的概念最先是由美国麻省理工学院研　究人员于２００１年提出，其与传统定位系统　的本质区别在于所采用信号的不同。传统　定位￣ＨＧＰＳ系统采用的是基于重复发送电　磁波脉冲测量信号达到时间，通过计算得　到距离信息，而量子定位系统采用的是具　有量子特性的光子脉冲。利用光子韵微观　量子特性，如量子纠缠和量子压缩态，量子　定位系统就能够超越经典测量中能量、带　宽和精度的限制，精度可接近海森堡测不　准原理所限定的物理极限。　１量子定位技术的关键技术　１．１量子定位系统的原理　量子定位技术利用具有量子特性的激　光脉冲，取代传统ＧＰＳ的微波信号来实现精　确定位。区别于微波信号的长波长波束覆　盖宽，激光的波长很短指向性很高，卫星与　用户间的传统同步方法不再适用。因此量　子定位系统的定位不应是取代现有ＧＰＳ，而　是与ＣＰＳ￣Ｎ结合，实现安全高精度的定位目　的。通过对量子定位技术原理的研究与优　选，提出具有实用性的量子定位系统体系　架构以及面向用户的应用模式，才能将量　子定位系统推广应用。　量子定位系统由量子纠缠态光源、　ＨＯＭ干涉测量部分以及系统控制部分组　成，其基本原理与关键特性如下。　（１）高性能量子纠缠态光源。在光与非　线性晶体相互作用的过程中，能够产生一　种非线性光学效应，这种效应一对低频率　光子具有很强的量子纠缠、关联和非定域　特性，可实现时间和空间上的高精度测量。　作为光源，光子纠缠态的纠缠纯度、退相干　时间对系统性能将产生巨大的影响。　（２）高稳定Ｈ０Ｍ干涉测量与处理。在量　（下转９页）　①作者简介：许方星（１９８３，６一），男，汉，湖北蕲春人，学历：博士，职称：工程师，研究方向：微波光子学、量子光学、量子通信。　科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　

本 科 课 程 论 文

课程名称： 军事通信基础

学 员: 李 钊 学 号： ************

培养类型： “4+1”合训 年 级： 2011 级

专 业： 应用物理 所属学院： 九 院

指导教员： 秦长江 职 称： 讲 师

教 室： 305-106 上交日期： 2014.03.25

国防科学技术大学训练部制

量子通信技术发展及军用应用前景

摘要：军事通信是现代战争的核心之一，高效且安全的军事通信是确保打赢信息化战争的重要前提，因此，要保证军事通信安全就显得尤为必要。本文简要介绍了量子通信的特点及发展现状,展望了量子通信的应用前景。

关键词：军事通信 量子通信 应用前景

1991年爆发的海湾战争使全世界第一次惊叹信息和信息系统在战争中的关键作用。时隔10年,2001年爆发的阿富汗战争又首次向全世界显示了网络的威力,

在此期间还有北约对科索沃的空袭。这几次局部战争都证明了, 可靠的通信是赢得胜利的基础,“仗靠三军打、胜由信息通”的道理已为世人所接受。军事通信是现代战争的核心，我军要实现跨越式发展、打赢信息化战争，首先就要提高军事通信能力。目前，军事通信有卫星通信、视频通信等等。然而在所有的军事通信技术中显然安全是军事通信的第一要求,而量子通信可以做到绝对安全。量子通信是面向未来的全新通信技术, 在安全性、高效性方面具有经典通信无法比拟的优势, 它对未来军事通信发展的影响不可估量。

目前，量子通信尚无严格的定义。物理上，量子通信可以被理解为在物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信。信息学上，我们则认为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不可克隆原理和量子态的测量塌缩性质等）或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。

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量子通信技术现状与应用前景分析

作者：张灿 夏耀威 陈健 狄丽娟

来源：《世界家苑》2019年第03期

摘要：量子通信是与国家信息安全相关的国际公认的战略竞争领域。这世纪以来，在通信安全和快速通信等方向量子通信技术有了很大的进步，使得量子通信得到了普遍的运用，为量子通信在将来世界的发展打下了基础。在本文中，对量子通信的原理、结构以及特性作出了阐述，以及对量子通信技术的发展现状和运用前景进行了分析。

关键词：量子通信技术；通信安全；通信原理

量子通信作为一种新型通信手段，是一种通过量子特有纠缠效应传输信息的通信技术。它作为一门新兴学科，有着远大的前景，对照传统的通信技术，量子通信“打破”了传统的通信方式。近年来，这门新兴学科“走过”了从理论到实验的过程，并已在实际生活中得到应用。该技术在隐身传输和加密安全领域取得了令人瞩目的成就，以及其余的通信技术未曾具有的高效率和相对安全等特点，令量子通信技术成为了世界通信领域的热点。

通过利用量子力学、量子并行性、量子纠缠和非克隆等量子特性，来探索量子的信息传递等技术，以便通过量子的独特性来突破原始芯片的“束缚”。量子纠缠在量子力学理论中很难理解，它是通过物理概念产生的效应，但现在人类开始将实现并利用此效应。在现实世界中，可通过光纤来传递量子信息进而实现量子通信的过程。但由于光纤会遭到本身和地理条件的限度，并不能再任何地方都实现这个过程。为了突破限制，基于对量子隐形传态的拓展，科学家们设计了一种通信方案。这种新型的通信方案是以EPR粒子对的远程相关性作为依据实现的。因此，这种方案也可以用过传递信息的新方式。

1 量子通信技术

1.1 量子通信的基本原理

对比传统通信方式，量子通信拥有速度快、承载信息容量大以及机密性强等优势。量子通信信息传输的进程，便验证了量子力学原理。量子信号源、量子信道以及量子信宿都包含在量子通信系统中。量子信号源生成信息并将其发送出去；量子信宿接受信号源的信息；接收到的量子信息通过量子解调还原成原始信息。原子、电子、光子这三种粒子具有量子效应。因此，所有拥有量子效应的粒子都可以用作量子信道的信号。在信息传输过程中，因为光信号的传输特性，量子通信也是量子光通信。通过单光子，量子通信便能克服空间的局限性，实现理想中的全球化、高速以及高机密性通信。

量子计算发展现状报告

量子计算是基于量子力学的新型计算方式，利用量子叠加和纠缠等物理特性，以微观粒子构成的量子比特为基本单元，通过量子态的受控演化实现计算处理，理论上具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。

量子计算研究始于上世纪80年代，目前已进入工程实验验证和原理样机攻关阶段。量子计算包含量子处理器、量子编码、量子算法、量子软件等关键技术。量子处理器的物理实现是当前阶段的核心瓶颈，包含超导、离子阱、硅量子点、中性原子、光量子、金刚石色心和拓扑等多种技术路线，近期均取得一定进展。目前，量子计算物理平台中的超导和离子阱路线相对领先，但尚无任何一种路线能够完全满足量子计算技术实用化条件实现技术收敛。为充分利用每种技术的优势，未来的量子计算机也可能是多种路线并存的混合体系。

量子优越性（QuantumSupremacy）的概念由教授首先提出，指量子计算在某一个计算问题上，相比经典计算机可实现指数量级运算能力的加速，从而真正体现量子计算技术的原理性优势。实现量子优越性的研究成果基于53位量子比特的超导处理器，在解决随机量子线路采样特定计算问题时，具有远超过现有超级计算机的处理能力。此项研究成果是证明量子计算原理优势和技术潜力的首个实际案例，具有重要的里程碑意义，这一热点事件所引发的震动和关注，将进一步推动全球各国在量子计算领域的研发投入、工程实践和应用探索，为加快量子计算机的研制和实用化注入新动力。

现阶段量子计算的发展水平距离实用化仍有较大距离。量子计算系统非常脆弱，极易受到材料杂质、环境温度和噪声等外界因素的影响而引发退相干效应，使计算准确性受到影响，甚至计算能力遭到破坏。同时，可编程通用量子计算机需要大量满足容错阈值的物理量子比特进行纠错处理，降低退相干效应影响，获得可用的逻辑量子比特。现有研究报道中的物理量子比特数量和容错能力与实际需求尚有很大差距，逻辑量子比特仍未实现。通用量子计算机的实用化，业界普遍预计将需十年以上时间。