胡 睿，胡洪坡，張亭華

(1.河北省張家口市宣化區(qū)第一中學，河北 張家口 075100；2.通信訓練基地，河北 張家口 075100；3.河北省張家口市宣化區(qū)財神廟街小學,河北 張家口 075100)

2017-08-29

胡 睿(2000- )，男，河北藁城人，高三學生，Android應用APP開發(fā)。

1674- 4578(2017)05- 0051- 04

走近量子通信

胡 睿1，胡洪坡2，張亭華3

(1.河北省張家口市宣化區(qū)第一中學，河北 張家口 075100；2.通信訓練基地，河北 張家口 075100；3.河北省張家口市宣化區(qū)財神廟街小學,河北 張家口 075100)

文章首先介紹了量子通信的基本概念：量子、測不準定理、量子不可復制、量子糾纏、量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)等，基于這些概念分析了隱形傳態(tài)的量子通信原理，在此基礎上結(jié)合絕對安全、超大容量、超遠距傳輸、無需介質(zhì)、近實時傳送等優(yōu)點介紹了量子通信的應用情況，最后對量子通信的發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)。

量子糾纏；量子密鑰分發(fā)；量子隱形傳態(tài)；量子信道

眾所周知，通信與社會生活息息相關。為了滿足人類不斷增長的通信需求，近現(xiàn)代以來各種有線通信、無線通信方式在有效性和可靠性方面不斷發(fā)展，大大方便了人類各種社會通信的需求。然而進入21世紀的人類越來越體會到單純依靠經(jīng)典通信方式，已經(jīng)不能滿足在通信容量和信息安全方面的進一步需求。隨著理論研究和實際器件的發(fā)展，一種能夠提供超大信息效率和絕對安全通信等特點的新型通信方式-量子通信越來越受到廣大科研工作者及相關行業(yè)生產(chǎn)廠商的青睞。

1 量子通信基本概念

要想理解量子通信，一些基本概念需要我們認真掌握并細加揣摸。這些基本概念主要有量子、測不準定理、量子不可復制、量子糾纏、量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)等。

1) 量子。量子是最小的、不可再分割的能量單位。量子是普朗克1894年在研究黑體輻射問題時發(fā)現(xiàn)的，他在相關研究中認為物質(zhì)輻射或吸收的能量不是無限可分的，而是有一個最小的單元，這個最小的不可再分的能量單元即為“量子”[1,2〗。

2) 測不準定理。量子的屬性(量子態(tài))具有成對的特性，人們無法準確測得這些成對屬性的所有細節(jié)。測不準定理是由近代科學家海森堡提出的，他認為當對量子成對屬性中的一個屬性進行精確測量的同時，就會打亂量子屬性的原來狀態(tài)，而使得成對屬性中的另一個屬性變得無法精確測量。

3) 量子不可復制。量子不可復制也稱量子不可克隆，指的是不可能通過克隆或復制的方法得到一個和原有量子一模一樣，各種量子態(tài)均一致的另一個量子。量子不可復制是測不準定理的一個推論，即由測不準定理可知，我們無法精確測量量子屬性的全部，所以我們就無法復制出和原量子態(tài)均一致的另一個克隆量子。

4) 量子糾纏。量子糾纏指的是成對量子具有相干性，即成對量子中的一個量子態(tài)(動量、自旋等狀態(tài))發(fā)生變化時，另一個量子態(tài)也會同步相應變化。量子糾纏是量子通信賴以實現(xiàn)的基礎特性，成對的糾纏量子可以通過一個較大的粒子分裂而來，理論上這兩個糾纏粒子之間即使不通過介質(zhì)，也能超遠距相互作用，就像愛因斯坦所說的“幽靈一般的遠距作用”。

5) 量子隱形傳態(tài)。量子隱形傳態(tài)是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測量，實現(xiàn)量子態(tài)的空間轉(zhuǎn)移而不移動量子態(tài)的物理載體。在量子隱形傳態(tài)過程中不需要其它介質(zhì)，僅通過量子信道(量子糾纏)就可直接傳送量子態(tài)信息，并且理論上不受空間限制可進行超大距離的傳送。

6)量子密鑰分發(fā)。量子密鑰分發(fā)以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學的測不準和量子不可復制定理，通過量子信道使通信收發(fā)雙方共享密鑰。量子密鑰分發(fā)在通信中并不傳輸密文，只是利用量子信道傳輸密鑰，將密鑰分配到通信雙方。

2 量子通信原理與實現(xiàn)

目前量子通信研究主要集中在量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)、量子安全直接通信和量子機密共享等四個技術領域。除量子隱形傳態(tài)外其它三種技術都和安全保密關聯(lián)比較大，而只有量子隱形傳態(tài)更符合量子通信利用量子相干疊加、量子糾纏效應進行信息傳遞的技術定義，限于篇幅，本文僅以量子隱形傳態(tài)的原理框圖來對量子通信的實現(xiàn)原理進行簡要介紹。圖1是基于隱形傳態(tài)的量子通信原理圖。

圖1 基于隱形傳態(tài)的量子通信原理圖

如圖1所示，Alice和Bob是量子隱形傳態(tài)的通信雙方(在介紹量子通信技術時一般把發(fā)送方稱作“Alice”，把接收方稱作“Bob”)。A、B、C為三個量子，其中A、B為通過量子糾纏分發(fā)得到的一對量子糾纏對，C為待傳送的未知量子。Alice和Bob之間有一條經(jīng)典信道和一條A、B建立的量子糾纏信道。

量子隱形傳態(tài)大致分為四個步驟。第一步是通過量子糾纏分發(fā)技術使Alice和Bob獲得具有糾纏關系的A、B兩個量子；第二步是Alice利用聯(lián)合檢測技術對A、C進行測量并獲得一定的測量信息，在測量過程中A、C的狀態(tài)都會因為進行了測量而發(fā)生一定變化，同時由于量子糾纏，Bob處的B量子會因為糾纏量子A的變化也相應變化；第三步Alice通過經(jīng)典信道將聯(lián)合檢測的測量信息發(fā)送給Bob；第四步Bob收到測量信息后，根據(jù)測量信息按一定規(guī)則對本地的B量子進行變換，使得變換后的B量子轉(zhuǎn)變?yōu)榕cAlice未進行聯(lián)合檢測前的C量子一致的原始狀態(tài)。

3 量子通信應用

量子通信相較于經(jīng)典通信最大的優(yōu)點在于其絕對安全的特性，因此非常適合于對安全特性要求特別高的用戶，比如軍隊、政府、銀行、金融證券以及大型企業(yè)集團等部門。在這些應用場合中量子通信更適合軍事通信的需求。下面僅從量子通信在絕對安全、超大容量、超遠距傳輸、無需介質(zhì)、近實時傳送等優(yōu)點方面來分析一下其應用情況。

1) 絕對安全。由于量子不可精確測量及不可復制等特點，在合法用戶雙方使用量子通信過程中，一旦有非法用戶企圖竊聽、截獲、復制量子的狀態(tài)信息，就會使傳送的量子態(tài)發(fā)生改變，從而使非法用戶只能得到無效的量子信息，同時合法用戶雙方也會即時發(fā)現(xiàn)正常的通信狀態(tài)被打斷，并判斷出有用戶在非法獲取通信信息。因此理論上量子通信是絕對安全的，這樣對于像軍事通信這樣強調(diào)信息絕對安全的用戶而言，量子通信無疑是一個首先的保密通信手段。

2) 超大容量。量子通道的通信容量是由表征量子態(tài)的自由度來決定的，比如量子的波長、自旋、動量、角動量等特性，聯(lián)合使用多量子的多自由度進行量子通信，最終的通信容量將會呈指數(shù)式增長。因此，量子通信可以保證各類用戶多種需求的超大容量指標要求，最大限度地滿足各類其語音、數(shù)據(jù)、多媒體以及各種通信業(yè)務的容量需求。

3) 超遠距傳輸。理論上處于糾纏態(tài)的量子對發(fā)生相互作用的距離是無限的，但在實際情形中，由于實際環(huán)境的限制(比如空氣)，糾纏量子對的分發(fā)距離會受到限制。目前糾纏量子對在空氣中的水平分發(fā)距離大約在100 km左右，如果想實現(xiàn)量子通信的超遠距傳輸需要增大糾纏量子的分發(fā)距離，比如采用衛(wèi)星進行量子糾纏分發(fā)，可實現(xiàn)上千公里的分發(fā)距離。相信隨著基于衛(wèi)星的量子通信研究的不斷深入，量子衛(wèi)星通信也可實現(xiàn)與經(jīng)典衛(wèi)星一樣的超遠距信息傳輸。

4) 無需介質(zhì)。基于量子隱形傳態(tài)的量子通信依靠的是糾纏量子對提供的量子信道，收發(fā)雙方用戶之間不需要經(jīng)典通信時必須的有線或無線信道等介質(zhì)的存在。這種不需要信道介質(zhì)的通信方式可以有效解決軍事通信應用中的一些疑難問題，比如水下通信、復雜電磁環(huán)境通信等問題。在常規(guī)的對潛通信中，只有長波通信適合作為陸地或空中對潛艇的通信頻率，但長波通信具有設備龐大造價高、信息傳輸速率低等固有缺點。如果采用量子通信，由于其通信過程不受介質(zhì)的影響，使得水下對潛通信的問題將迎刃而解。此外，在經(jīng)典通信設備遇到山地等復雜電磁環(huán)境時，通信將變得非常困難。而量子通信卻不存在任何遮擋、吸收、多徑傳播等影響通信的難題，可以很好地解決山地通信、復雜電磁環(huán)境、通信干擾等問題。

5) 近實時傳送。采用量子通信時，糾纏的量子對間的狀態(tài)改變是瞬間發(fā)生的，有人推測得出其速度超過光速1 000倍，因此量子通信的速度主要取決于隱形傳態(tài)時的經(jīng)典信道速度，如果采用光纖信道作為經(jīng)典信道，則可知量子通信可以實現(xiàn)接近光速的傳送速度，也可以說近實時地傳送。在經(jīng)典通信中由于受電磁波速度的限制，在跨洋通信、星地通信過程中會引入較大的時延過程，對于用戶的通信產(chǎn)生一定的影響，所以采用量子通信將給用戶提供一種近實時傳送的通信方式體驗。

4 量子通信發(fā)展現(xiàn)狀

近年來隨著人們對于量子通信的不斷研究分析與深入了解，國內(nèi)外相關科技人員均在量子通信的不同領域取得了舉世矚目的成果。美國早在2006年，就實現(xiàn)了超過100 km的量子保密通信實驗，近期美國航空航天局計劃在其總部與噴氣推進實驗室之間建立一個直線距離600 km的遠距離光纖量子通信干線，并計劃拓展到星地量子通信。歐洲也在2006年實現(xiàn)了超過100 km的保密通信實驗，并于2007年實現(xiàn)了通信距離達144 km的量子通信，2008年首次識別出從人造衛(wèi)星上反彈回地球的光子，距離超過1 500 km。我國在量子通信領域的研究進展與西方國家大體相當，并在2014年將遠程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴展到200 km，2016年8月發(fā)射了世界首枚量子通信科學實驗衛(wèi)星，首次實現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的超遠距量子通信，2016年11月“京滬干線”國家量子通信骨干網(wǎng)合肥至上海段順利開通，該干線全長712 km，是目前全球開通的最長的量子保密通信骨干網(wǎng)絡。

5 結(jié)束語

量子通信具有獨特的魅力，愛因斯坦稱其為上帝擲的骰子、具有幽靈般的作用，這種顛覆人們經(jīng)典通信認知的通信方式是解決困擾21世紀人類通信難題的一把閃閃發(fā)光的金鑰匙。隨著越來越多有志于投身量子通信領域研究的人員的加入，量子通信的研究必將不斷深入發(fā)展，量子通信具有的絕對安全、超大容量、超遠距傳輸、無需介質(zhì)、近實時傳送等優(yōu)點將會被更多用戶應用在不同的應用領域，大大改善并提高人們的社會生活水平。

[1] 張宇隆，張學賡.淺談量子通信及其軍事應用前景.軍隊指揮自動化，2016(3)：65-67.

[2] C.C.，彭世坤.神奇的量子和量子通信.成都：四川科學技術出版社，2014.

[3] 吳華，王向斌，潘建偉.量子通信現(xiàn)狀與展望.中國科學：信息科學，2014(3)：296-311.

[4] 徐兵杰，劉文林，毛鈞慶，等.量子通信技術發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問題研究.通信技術，2014(5)：463-468.

[5] 劉川，賈軍帥，夏冬玉，等.量子通信技術.通信與計算技術，2016(4)：18-23.

[6] 宋海剛，謝崇波.量子通信實用化現(xiàn)狀分析與探討.中國基礎科學，2011(3)：21-25.

[7] 蔣佳玲，朱長明.量子通信技術發(fā)展現(xiàn)狀及應用.國際太空，2015(11)：30-33.

ApproachingQuantumCommunication

Hu Rui1, Hu Hongpo2, Zhang Tinghua3

(1.XuanhuaNo.1MiddleSchool,ZhangjiakouHebei075100,China;2.CommunicationTrainingBase,ZhangjiakouHebei075100,China; 3.XuanhuaCaishenStreetPrimarySchool,ZhangjiakouHebei075100,China)

This article first introduces the basic concepts of quantum communication, that are quantum, quantum uncertainty theorem, quantum non copy, quantum entanglement, quantum teleportation, quantum key distribution and so on. Based on these concepts, the quantum communication principle of teleportation is analyzed. And on the above basis, combining with the advantages of absolute safety, large capacity, ultra long distance transmission, without medium, near real-time transmission, the application of quantum communication is introduced, then the development status of quantum communication are summarized.

quantum entanglement; quantum key distribution; quantum teleportation; quantum channel

TN929.11

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