量子通信論文范文

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第1篇

量子信道的建立速率定義為兩個量子通信節點之間建立量子糾纏對的速率.基于糾纏態的量子通信網絡中節點具有以下三個功能:遠程傳態功能、產生并向周圍節點分發糾纏粒子功能和糾纏連接功能.其中糾纏連接功能由糾纏交換功能和糾纏純化功能組成[2324],采用糾纏連接,可以為不存在糾纏粒子對的節點提供糾纏中繼.在該網絡中,距離較近的節點可直接分發糾纏粒子,建立量子信道,而相距較遠的節點不直接分發高保真度糾纏粒子,需要通過中間節點依次中繼,建立兩節點間高保真度的量子信道.量子通信網絡模型如圖1所示.圖1中個節點以單位密度分布在正方形的二維平面中,分布區域的正方形面積。整個分布區域的節點總數為,各節點在空間中隨機分布,假設在不相交區域中節點數目相互獨立,則節點的分布滿足空間泊松過程.該量子通信網絡有以下特點:1)所有的節點功能相同,可與相鄰節點直接通信,也可通過相鄰節點為中繼與遠處節點通信;2)量子信息通過量子糾纏對傳輸,但節點之間不預先存儲量子糾纏對;3)對于相鄰節點,在通信開始階段,節點中進行糾纏粒子生成,生成的糾纏粒子傳輸至相鄰節點,得到高保真度的糾纏對以供量子信息傳輸。4)對于相距較遠的節點,需要先找到一條可以連接待通信兩節點的拓撲通路.通過通路上節點的糾纏連接操作,在遠距離的節點間得到高保真度的糾纏對.本文分別對該模型下任意兩節點間的量子信道建立速率進行分析,包括基礎鏈路、中繼長鏈路以及趨于無窮大時大規模網絡中遠距離兩節點間的量子信道建立速率.

2量子通信網絡基礎鏈路的信道建立速率

在基于糾纏態的量子通信網絡中,將可以直接通過糾纏粒子分發建立量子信道的節點稱為相鄰節點,相鄰兩節點間通過糾纏粒子形成的量子通路稱為基礎鏈路.不存在基礎鏈路的節點之間可以通過中繼節點之間的基礎鏈路建立量子信道.文獻[25]對基礎鏈路上的信道建立速率進行了分析.基礎鏈路上的一個節點由于內部糾纏粒子的存儲空間有限,所以節點產生糾纏粒子對的頻率也受到限制.假設節點光子產生糾纏粒子操作的頻率為,節點按成功概率生一定保真度的糾纏粒子對,為兩節點之間的距離,為光速,則相鄰兩節點之間成功得到一個糾纏光子對的平均時間。

3中繼長鏈路的量子信道建立速率分析

非相鄰兩節點間如果可以通過中繼節點建立量子信道,則兩節點間的量子通路稱為中繼長鏈路.相鄰節點之間可以直接生成量子糾纏對以傳遞量子信息,但中繼長鏈路上需要各中繼節點通過糾纏連接,消耗中繼節點上的量子糾纏對,從而在源節點和目的節點之間得到高保真度的量子糾纏對,建立量子信道.圖2為僅有一個中繼節點的三節點中繼長鏈路,假設節點Alice為源節點,節點Carol為目的節點,節點Bob為中繼節點,節點Bob和相鄰節點Alice,Carol分別共享量子糾纏對A1-B1和B2-C1.該過程中,節點Bob對位于本節點的量子比特B1和B2執行貝爾基測量,即可得知A1,C1的糾纏狀態.在最大糾纏態情形下,糾纏連接即形成.在非最大糾纏態情形下,糾纏連接概率性形成,。由于各基礎鏈路上糾纏粒子生成和糾纏連接操作的順序不同,可以得到不同的量子信道建立方法,不同的量子信道建立方法對應不同的量子信道建立速率.我們對逐點和分段兩種量子信道建立方法所對應的量子信道建立速率進行分析.如圖3所示,假設一條中繼長鏈路由個節點和1條基礎鏈路所構成,設源節點編號為1,目的節點的編號為,鏈路上的節點和基礎鏈路依次編號.假設節點1和之間已建立量子信道,節點和節點之間也已建立量子信道,對某節點進行糾纏連接操作,可得建立該量子信道的速率。如圖4所示,逐點量子信道建立方法中各個中繼節點上的糾纏生成和糾纏連接操作依次進行,其步驟如下:1)生成中繼節點2與源節點1之間的糾纏粒子對;2)生成中繼節點2和下一中繼節點3之間的糾纏粒子對,中繼節點2進行糾纏連接,使得源節點1與中繼節點3建立量子信道;3)生成中繼節點3和中繼節點4之間糾纏粒子對,中繼節點3進行糾纏連接,使得源節點1與中繼節點4建立量子信道;4)逐點進行,最后生成中繼節點(1)和中繼節點間糾纏粒子對,中繼節點(1)進行糾纏連接,建立源節點1和目的節點間建立量子信道.逐點量子信道建立方法需要在2個中繼節點上進行不相互獨立的糾纏連接操作.基礎鏈路的信道建立速率由量子糾纏分發速率決定.糾纏光子經由光纖或自由空間信道傳輸,再經過本地操作實現量子糾纏分發,該過程所需時間設為常數。

4基于逾滲模型的二維量子通信網絡量子信道建立速率

量子通信網絡的模型與傳統通信網絡模型類似,都可建模為個節點利用傳輸信道進行信息傳遞,所不同之處在于傳統無線通信網絡使用的是傳統無線或者有線信道,而基于糾纏態的量子通信網絡使用的是糾纏粒子構成的量子信道.與經典無線通信網絡的網格劃分相似,可采用逾滲模型對整個網絡特性進行分析.逾滲模型證明通過適當的網絡網格劃分可保證整個網絡的連通性,使得網絡中的任意源節點和任意目的節點總可找到一條中繼鏈路相連,整個網絡中將形成高速公路(highway),高速公路可為其他不在高速公路上的節點提供中繼[16].將圖1中節點數目為的量子通信網絡平面劃分為邊長為的正方形網格,若某個網格中至少含有一個節點,該節點可為相鄰網格中的節點提供中繼,則這個網格視為連通的.由單位密度泊松點過程的概率分布規律,網格中至少含有一個節點的概率為(si1)=1e2,其中si代表單個網格中的節點數.網格邊長足夠大時,可保證網格中至少有一個節點的概率足夠大.當網格連通概率大于二維正方形逾滲的逾滲閾值時,將會出現無限大連通集團,整個量子通信網絡必然是連通的,即網絡中任意兩個節點間存在直接量子信道或者由多個中繼節點組成的量子信道.當網格連通概率大于二維正方形逾滲的逾滲閾值時,將在水平方向和垂直方向由連通的網格依次相連形成大規模的連通鏈路,這種連通鏈路的拓撲結構稱為高速公路.高速公路上分布著大量的中繼節點,且這些相鄰中繼節點之間的最遠距離由網格的邊長決定,使得基礎鏈路的長度最長不超過網格對角線長.高速公路存在于網絡水平方向和垂直方向,源節點找到離自己最近的高速公路入口節點,然后在水平方向的高速公路找到與目的節點垂直距離最近的節點,接著通過該節點沿著垂直方向的高速公路找到與目的節點最近的出口節點.由于高速公路的存在,若源節點和目的節點都在高速公路上,則這兩個節點可直接利用高速公路的中繼作用建立量子信道,若源節點和目的節點至少有一個不在高速公路上,則應先找到最近的高速公路入口節點或出口節點,再通過高速公路中繼,從而建立量子信道。由此可知,高速公路上的基礎鏈路的量子信道建立速率僅與節點的量子存儲空間、網格劃分的對角線長度、給定的量子信息保真度有關,與總節點個數無關,故相對于為常數階.不在高速公路上的節點要先找到離它最近的高速公路節點作為入口節點或者出口節點,源節點與入口節點之間以及目的節點與出口節點之間存在基礎鏈路,該基礎鏈路的量子信道建立速率與總節點個數有關,由于不在高速路的點與最近的高速公路節點的距離不大于log+22[21],故該基礎鏈路的速率。因此對中繼長鏈路而言,分段量子信道建立方法的量子信道建立速率更高.因此我們對長鏈路上使用分段量子信道建立方法進行分析.根據源節點和目的節點分布不同,可分為以下兩種場景.場景1:若源節點和目的節點都在高速公路上,則對于有Ω()個節點的這條長中繼鏈路,基礎鏈路的最長距離由網格劃分的邊長決定,此時基礎鏈路上的量子信道建立速率為常數階,源節點和目的節點成功得到量子糾纏對的速率。所以當量子通信網絡的節點都利用逾滲模型所指出的高速公路進行長鏈路的中繼通信,且采用分段量子信道建立方法時,整個量子通信網絡的量子信道建立速率為Ω(1/).由于場景2的量子信道建立速率小于場景1的量子信道建立速率,整個量子信息網絡的量子信道建立速率上限值由兩者的較小值所決定的,故量子通信網絡的量子信道建立速率為Ω(1/).

5結論

第2篇

1.1量子秘鑰分發

量子秘鑰分發不是用于傳送保密內容,而是在于建立和傳輸密碼本,即在保密通信雙方分配秘鑰,俗稱量子密碼通信。1984年，美國的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84協議，即用量子比特作為信息載體，利用光的偏振特性對量子態進行編碼，實現對秘鑰的產生和安全分發。1992年，Bennett提出了基于兩個非正交量子態，流程簡單，效率折半的B92協議。這兩種量子秘鑰分發方案都是建立在一組或多組正交及非正交的單量子態上。1991年，英國的Ekert提出了基于兩粒子最大糾纏態，即EPR對的E91方案。1998年，又有人提出了在三組共軛基上進行偏振選擇的六態方案量子通信，它是由BB84協議中的四種偏振態和左右旋組成。BB84協議被證明是迄今為止無人攻破的安全秘鑰分發方式，量子測不準原理和量子不可克隆原理，保證了它的無條件安全性。EPR協議具有重要的理論價值，它將量子糾纏態與量子保密通信聯系起來，為量子保密通信開辟了新途徑。

1.2量子隱形傳態

1993年由Bennett等6國科學家提出的量子隱形傳態理論是一種純量子傳輸方式，利用兩粒子最大糾纏態建立信道來傳送未知量子態，隱形傳態的成功率必定會達到100%。199年，奧地利的A．Zeilinger小組在室內首次完成量子隱形態傳輸的原理性實驗驗證。在不少影片中常出現如此的情節：一個在某處突然消失的神秘人物突然出現在另一處。由于量子隱形傳態違背了量子力學中的量子不可克隆原理和海森堡不確定原理，因此它在經典通信中只不過是一種科幻而已。然而量子通信中引入了量子糾纏這一特殊概念，將原物未知量子態信息分成量子信息和經典信息兩部分，使得這種不可思議的奇跡得以發生，量子信息是在測量過程未提取的信息，經典信息是對原物進行某種測量。

二、量子通信的進展

從1994年開始，量子通信已經逐步進入實驗階段，并向實用化目標邁進，具有巨大的開發價值和經濟效益。1997年，中國青年科學家潘建偉與荷蘭科學家波密斯特等人試驗并實現了未知量子態的遠程傳輸。2004年4月Lorunser等利用量子糾纏分發第一次實現1.45KM的銀行間數據傳輸，標志著量子通信從實驗室走向應用階段。目前量子通信技術已經引起各國政府、產業界和學術界的高度重視。一些國際著名公司也積極發展量子信息的商業化，如英國電話電報公司，美國的Bell、IBM、AT&T等實驗室，日本的東芝公司，德國的西門子公司等。2008年，歐盟“基于量子密碼的全球保密通信網絡開發項目”組建的7節點保密通信演示驗證網絡試運行成功。2010年，美國《時代周刊》在“爆炸性新聞”專欄中以“中國量子科學的飛躍”為題報道了中國在16公里量子隱形傳輸的實驗成功，標志中國有能力建立地面與衛星間的量子通信網絡。2010年，日本國家情報通信研究機構聯合三菱電機和NEC，以及瑞士IDQuantique公司、東芝歐洲有限公司和奧地利的AllVienna公司在東京成立了六節點城域量子通信網絡“TokyoQKDNetwork”。該網絡集中了目前日本及歐洲在量子通信技術上發展水平最高的研究機構和公司的最新研究成果。

三、量子通信展望

第3篇

關鍵詞：量子通信定義 量子通信理論由來 駁倒愛因斯坦的實驗論據

一、量子通信定義

量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等，近來這門學科已逐步從理論走向實驗，并向實用化發展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關注。基于量子力學的基本原理，量子通信具有高效率和絕對安全等特點，并因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。

二、量子通信理論由來

“1935年5月的一天早晨，愛因斯坦像往常一樣準時來到普林斯頓高等研究院的辦公室。他來普林斯頓小鎮快兩年了，已經熟悉并開始喜歡這個恬靜的“室外桃園”。辦公桌上放著他和助手波多爾斯基、羅森一起剛剛發表在《物理評論》上的論文。他拿起來看了看，臉上露出孩子般頑皮的微笑――這回他終于可以戰勝老對手玻爾了。與此同時，在大西洋彼岸的哥本哈根大學玻爾研究所，愛因斯坦的文章立刻引起了物理學家玻爾的關注和不安。這對他來說簡直是個晴天霹靂！玻爾立刻放下所有的工作，他說：‘我們必須睡在問題上。’愛因斯坦和玻爾是20世紀兩位最偉大的物理學家，他們都為量子理論的建立做出了奠基性的貢獻。然而，他們對于這個理論的含義卻一直爭論不休。這一爭論被稱為‘關于物理學靈魂的論戰’。”――引自郭光燦院士《愛因斯坦的幽靈：量子糾纏之謎》。

郭光燦院士書中所指的“物理學靈魂”的論戰，與“量子糾纏”現象有著莫大的關系。 在量子力學中，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著某種糾纏關系，不管它們被分開多遠，只要一個粒子發生變化就能立即影響到另外一個粒子，即兩個處于糾纏態的粒子無論相距多遠，都能“感知”和影響對方的狀態，這就是量子糾纏。盡管愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現象的存在，但卻不愿意接受它，并斥之為“幽靈般的超距作用（spooky action at a distance）”。

三、駁倒愛因斯坦的實驗論據

對EPR實驗的驗證始于1960年，在1980年終于獲得有說服力的結果。這些是實驗大多都是以光子來做為自旋關聯。主要是利用院子的級聯輻射，選擇出光子動量為0的情形。1982年，法國物理學家艾倫•愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子“量子糾纏”（quantum entanglement）的現象確實存在，這一結論對西方科學的主流世界觀產生了重大的沖擊。它證實了任何兩種物質之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深層次的內在聯系。

四、突破傳統的通信方式

1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案：將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原處。在量子通信系統中，共享信息的兩個人必須共享幾乎一致的兩個成對產生并永遠纏結在一起的光子。一旦信息被帶到第一個光子上，它將會消失并重現在第二個光子上，以實現不加外力方式傳輸信息。不加外力傳輸的概念是以量子物理學為基礎的，它所使用的是具有波、粒兩重性但沒有電荷和質量的光子，而不是常規使用的電子。在量子通信中，報文是以不加外力傳輸方式傳輸的。不加外力傳輸方式就是使信息在一個地方消失，從而使其能在另一個地方出現的過程。它不需要通過空中、太空或線路傳輸。在這一過程中，發送者與接收者共享所需光子的數量，決于所發送報文的長度。在量子通信中，由于光子只能成對產生，因此，所有量子的不加外力方式只能在一個發送者和一個接收者之間進行。如果接收者需要將報文傳送給其他人，則每次必須共享和使用纏結在一起的新的一對光子。因此，量子網絡必須一個鏈路一個鏈路地建立。

利用量子信息技術之一量子密碼術，可實其基本思想是：將原物的信息分成經典信息和量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量中未提取的其余信息；接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態的完全復制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態上。在這個方案中，糾纏態的非定域性起著至關重要的作用。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且可以用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。

五、量子通信的發展狀況

量子通信具有傳統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。

為了讓量子通信從理論走到現實,從上世紀90年代開始,國內外科學家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰略項目。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，中國科技大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。

2006年夏,我國中國科技大學教授潘建偉小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學―維也納大學聯合研究小組各自獨立實現了誘騙態方案，同時實現了超過100公里的誘騙態量子密鑰分發實驗，由此打開了量子通信走向應用的大門。2008年底，潘建偉的科研團隊成功研制了基于誘騙態的光纖量子通信原型系統，在合肥成功組建了世界上首個3節點鏈狀光量子電話網，成為國際上報道的絕對安全的實用化量子通信網絡實驗研究的兩個團隊之一（另一小組為歐洲聯合實驗團隊）。