姚猛 南京理工大學電子工程與光電技術學院 張文博 南京理工大學電子工程與光電技術學院

量子通信技術原理與未來的應用研究

姚猛 南京理工大學電子工程與光電技術學院 張文博 南京理工大學電子工程與光電技術學院

量子通信在最近幾年得到了飛速的發(fā)展，并且在信息安全傳輸方面有著驕人的成績。本文首先從量子通信的概念出發(fā)，引出量子通信技術的原理以及所具備的獨特優(yōu)點，并結(jié)合了我國關于量子通信技術的發(fā)展簡要分析量子通信技術在未來社會上的應用價值。

量子通信 發(fā)展現(xiàn)狀 應用價值

量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新興的通訊方式。量子通信是近20年來發(fā)展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領域。量子通信主要涉及：量子密碼通信，量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。該門學科已經(jīng)不再拘泥于理論研究，而是走向?qū)嶒灢⑦M入了實用化階段。最吸引人的是，量子通信有著高效安全的信息傳輸特性，因此受到了人們的廣泛關注?；诹孔訉W科的基本原理，并因此成為國際上信息科學的研究熱點。

1 量子通信技術的原理

光量子通信主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)（傳輸）的方式實現(xiàn)信息傳遞。根據(jù)實驗驗證，具有糾纏態(tài)的兩個粒子無論相距多遠，只要一個發(fā)生變化，另外一個也會瞬間發(fā)生變化。因此我們可以利用這個特性實現(xiàn)光量子通信，具體過程如下：

（1）事先構建一對具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方。

（2）將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進行聯(lián)合測量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發(fā)生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀態(tài)，這個狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌（變化）后的狀態(tài)是對稱的。

（3）將聯(lián)合測量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收放根據(jù)接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換（相當于逆轉(zhuǎn)變換），即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。

由此可見，量子通信技術的理論研究豐富，通信多采用的方式簡潔明了，易于操作。

2 量子通信技術的兩大優(yōu)點

量子通信也具有很多的好處與優(yōu)點，而這些優(yōu)勢也是很多普通的通信方式所不具備的。經(jīng)典通信較光量子通信相比，其安全性和高效性都無法與之相提并論。下面分別進行討論。

2.1 安全性

量子通信絕不會“泄密”，其原因主要體現(xiàn)在：

（1）量子加密的密鑰是隨機的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息；

（2）分別在通信雙方手中具有糾纏態(tài)的2個粒子，其中一個粒子的量子態(tài)發(fā)生變化，另外一方的量子態(tài)就會隨之立刻變化，并且根據(jù)量子理論，宏觀的任何觀察和干擾，都會立刻改變量子態(tài)，引起其坍塌，因此竊取者由于干擾而得到的信息已經(jīng)破壞，并非原有信息。

2.2 高效 .

被傳輸?shù)奈粗孔討B(tài)在被測量之前會處于糾纏態(tài)，即同時代表多個狀態(tài)，例如一個量子態(tài)可以同時表示0和1兩個數(shù)字，7個這樣的量子態(tài)就可以同時表示128個狀態(tài)或128個數(shù)字：0～127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當于經(jīng)典通信方式的128次?？梢韵胂笕绻麄鬏攷捠?4位或者更高，那么效率之差將是驚人的2，以及更高。

3 量子通信技術的應用前景

量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。但是讓量子通信從理論走向現(xiàn)實的過程確是需要艱苦的努力的。我國從上世紀80年代開始從事量子光學領域的研究，近幾年來，中國科學技術大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。2009年9月，潘建偉的科研團隊正是在3節(jié)點鏈狀光量子電話網(wǎng)的基礎上，建成了世界上首個全通型量子通信網(wǎng)絡，首次實現(xiàn)了實時語音量子保密通信。這一成果在同類產(chǎn)品中位居國際先進水平，標志著中國在城域量子網(wǎng)絡關鍵技術方面已經(jīng)達到了產(chǎn)業(yè)化要求。

全通型量子通信網(wǎng)絡是一個5節(jié)點的星型量子通信網(wǎng)絡，克服了量子信號在商用光纖上傳輸?shù)牟环€(wěn)定性是量子保密通信技術實用化的主要技術障礙，首次實現(xiàn)了兩兩用戶間同時進行通信，互不影響。該成果首次全面展示和檢驗了量子通信系統(tǒng)組網(wǎng)和擴展的能力，標志著大規(guī)?？蓴U展網(wǎng)絡量子通信技術的成熟，將量子通信實用化和產(chǎn)業(yè)化進程又向前推進了一大步。據(jù)稱，潘建偉團隊將與中國電子科技集團公司第38研究所等機構合作，在合肥市及周邊地區(qū)啟動建設一個40節(jié)點量子通信網(wǎng)絡示范工程，為量子通信的大規(guī)模應用積累工程經(jīng)驗。

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