量子通信

建安全的量子通道来传输信息，用于全球通信。此研究成果即将发表在《新物理学 杂志》 （ New Journal of Physics ）上。 意大利帕多瓦大学的保罗·维罗来斯和恺莎尔·巴伯利领导此研究小组，成功 地利用意大利名为马泰拉 （ Matera） 激光测距天文台的 1.5 米望远镜向地球上空 1500 公里处的日本阿吉沙（ Ajisai ）人造卫星发射出光子并让此卫星将这些光子反弹回 到了原始出发地。这标志着无法偷听的量子编码通信可望通过人造卫星来实现。此 消息将会大受全球通信公司和银行的欢迎。 2007 年 6 月，一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组在量子通信研究 中通过创下了通信距离达 144 公里的最远纪录。而要达到更远的距离很难，因为大 气容易干扰光子脆弱的量子状态。而巴伯利小组想出了解决办法，通过人造卫星来 发送光子。由于大气随高度的增加而日趋稀薄，在卫星上旅行数千公里只相当于在 地面上旅行 8 公里。 为证实地面能观测到从轨道卫星上发送回来的光子，此研究小组从意大利马泰 拉（ Matera ）激光测距天文台的望远镜向阿吉沙（ Ajisai ）人造卫星发射出一束普 通的激光。阿吉沙（ Ajisai）人造卫星由 318 面镜片组成，从精确的镜片上反弹回 来的单批光子成功地回到了此天文台。 参与此项研究的奥地利维也纳的量子光学 和量子信息研究所著名量子物理学家安顿·宰林格（ Anton Zeilinger ）认为太空至 地球的量子通信是一项可行技术。宰林格正在打造一个人造卫星，用于产生纠缠光 子，接收信息并对信息编码，之后再将编码的信息反射回来，以建立全球量子通信 网络。 量子通信是利用了光子等粒子的量子纠缠原理。量子信息学告诉人们，在微观 世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象叫 量子纠缠， 这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。 科学家认为， 这是一种“神 奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。 量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，与目前成熟的 通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输 等特点。量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国 民经济的发展。自 1993 年美国 IBM 的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科 学基金会、国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在 1999 年集中 国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达 12 个。日本邮政省把量子通信作为 21 世纪的战略项目。
1.1 量子通信基本概念…………………………………………….2 1.1.1 基本简介………………………………………………….2 1.1.2 量子通信发展史…………………………………………..3 1.2 量子通信国内外研究动态…………………………………….3 1.2.1 研究突破………………………………………………….3 1.2.2 中国的研究动态 ………………………………………….4
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的量子纠缠态的研究中又取得了新突破。为了进行远距离的量子态隐形传输，往往 需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是，由于存在各种不可避 免的环境噪声，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此， 如何提纯高品质的量子纠缠态是目前量子通信研究中的重要课题。 国际上许多研究小组都在对这一课题进行研究， 并提出了一系列量子纠缠态纯化 的理论方案，但是没有一个是能用现有技术实现的。最近潘建伟等人发现了利用现 有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案，原则上解决了目前在远距离 量子通信中的根本问题。这项研究成果受到国际科学界的高度评价，被称为“远距 离量子通信研究的一个飞跃”。 1.1.2 量子通信发展史 1993 年， C.H.Bennett 提出了量子通信的概念 ;同年， 6 位来自不同国家的科学 家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：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。其基本思想是：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。经典信息是发送者对原物进行某种测量 而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信 息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子 态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的 粒子处于原物的量子态上。 在这个方案中， 纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。 量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义， 而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现 原则上不可破译的量子保密通信。 1997 年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作， 首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态 从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”， 作为信息载体的光子本身并不被传输。

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第一章 量子通信简介
1.1 量子通信基本概念
1.1.1 基本简介 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。按其 所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则 可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。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，制造出原物完美的复制品。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。1993 年，6 位来自不同国家的科学家，提出了利用经 典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案： 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。其基本思想是：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。经典信息是发送者对原物进行某种 测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两 种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的 量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将 别的粒子处于原物的量子态上。 在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子力学是非定域的 理论，这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多 反直观的效应。在量子力学中能够以这样的方式制备两个粒子态，在它们之间的关 联不能被经典地解释，这样的态称为纠缠态，量子纠缠指的是两个或多个量子系统 之间的非定域非经典的关联。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自 然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传 送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。 1997 年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作， 首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态 从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”， 作为信息载体的光子本身并不被传输。最近，潘建伟及其合作者在如何提纯高品质

第 3 章 量子纠缠和超光速量子通信…………………………………14
3.1 量子纠缠态特性………………………………………………14 3.1.1 量子比特……………………………………………….14 3.1.2 量子纠缠态………………………………………………14 3.1.3 量子纠缠态的非局域关联性……………………………..15 3.2 量子隐形传输…………………………………………………15 3.2.1 量子隐形传态原理……………………………………….15 3.2.2 隐形传态的实现过程……………………………….....16

1.2 量子通信的国内外研究动态
1.2.1 研究突破 据《新科学家》杂志等媒体综合报道，一支意大 利和奥地利科学家小组宣布，他们首次提出从地球上 空 1500 公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子， 实现了太空绝密传输量子信息的重大突破。这一突破标明在太空和地球之间可以构

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总 致

结……………………………………………………………………….36 谢……………………………………………………………………….37

参考文献…………………………………………………………………….38

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引

言

我们生活在一个信息时代,信息科学在改善人类的生活品质以及推动社会的文明发 展中发挥着令人惊叹的作用,这是其他学科所无法比拟的。 随着人类社会对于信息的需 求日益增加 ,人们不断地致力于信息技术的进一步发展 ,这必然导致现有的信息系统其 功能被开发至极限。因此,信息科学的进一步发展势必要借助于新的原理和方法,于是一 门将量子力学应用于信息科学的新兴学科———量子信息学便应运而生。这里我们着重 介绍量子信息学的重要分支之一———量子通信 . 量子通信是量子信息学中研究较早 的领域。广义上讲,它包括量子密码术、量子隐形传态、密集编码、远程量子通信,以及 量子通信复杂性等。近年来在理论和实践上均已取得了重要的突破 ,引起各国政府、科 技界和信息产业界的高度重视。 量子通信理论是1993 年由美国IBM的研究人员提出的, 目前美国国家科学基金会、美国国防部等部门正在着手研究此项技术,欧盟从1999 年开 始研究,日本也从2001 年将量子通信纳入十年计划。 本课题主要对量子通信进行基本的阐述，以及对基本的原理的描述。并对非经典状 态下的光子数做出统计以及相应的分析。最后用软件的方式来验证光子数的统计。
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题

目

量子通信中非经典状态下的

光子数统计

学

院

通信工程学院

专

业

通信工程

班

级

06083414

学

号

06081411

姓

名

胡陈

指导教师

曾然 2010 年 5 月 20 日

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一、题目

量子通信中非经典状态下的光子数统计
二、中英文摘要

量子通信中非经典状态下的光子数统计

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3.2.3 隐形传态的特点………………………………………..17 3.3 超光速量子隐形传态的实现……………………………….18

第 4 章 量子光学基础简介……………………………………………….19
4.1 光的电磁理论………………………………………………….19 4.1.1 真空中的麦克斯韦方程…………………………………..19 4.1.2 介质中的麦克斯韦方程…………………………………..21 4.2 光子和光子态………………………………………………….23 4.2.1 电磁场的量子化………………………………………….23 4.2.2 光子数态………………………………………………..24 4.2.3 光子位相态……………………………………………..26
【摘要】
量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科. 文章综述

了量子通信领域的研究进展,既包括人们所熟知的量子隐形传态、密集编码和量子密码 学,也包括刚刚兴起但却有巨大潜力的量子通信复杂度和远程量子通信等领域. 文章介 绍了量子通信的基本理论框架,同时也涉及了这个领域最新的实验研究的进展。

第 5 章 非经典态下的光子数统计……………………Leabharlann Baidu……………29
5.1 相干态………………………………………………………….29 5.2 场的相关函数………………………………………………….30 5.3 光子的相关测量……………………………………………….33 5.4 量子力学光子计数分布……………………………………….34 第 6 章 相干叠加态下光子数分布的结果讨论……………………………. 6.1 相干叠加态的理论基础………………………………………. 6.2 光子数分布的讨论…………………………………………….

【关键词】
远程量子通信。

量子通信;量子隐形传态;量子密集编码;量子密码术;量子通信复杂度;

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QUANTUM COMMUNICATION
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【Abstract】 When the semiconductor laser is operating in a constant bias current ,the

terminal voltage often fluctuates.The fluctuation that is named electric noise indicates the defect of material or device,especially it is very sensitive for various reliability-dependent defects .So the electric noise is becoming a useful tool to characterize device quality and reliability.

第 2 章 量子通信的基本过程…………………………………………….6
2.1 量子通信基础理论…………………………………………….6 2.2 量子隐形状态和密集编码…………………………………….6 2.3 量子密码术…………………………………………………….8 2.4 量子通信的复杂度.…………………………………………10 2.5 量子远程通信………………………………………………13

【Keywords】 Semiconductor
driving

Noise characteristic

Dependability appraisal

Pulse

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目

录

引 言…………………………………………………………………………..1 第1章 量子通信简介……………………………………………………..2