量子通信(精)

小结

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。
二、量子密钥
1.原理 2.制作方法 3.具体技术
2.1原理

在普朗克提出的量子理论中，量子的不可复 制性是一项基本定律。如果一枚旋转着的硬币是 量子世界中一个物体，一旦你要复制它，势必要 对它进行测量，这种外来的行为就会改变它的运 动状态。也就是说，任意量子的状态，在受到复 制或测量时，都会发生变化。换个角度说，量子 一旦被测量过，就不再是原来的那个量子了。所 以，利用量子的这一特性制作的密码，从理论上 讲是一种最为安全的密码。
2.3具体技术

如何探测单个光子？运用会放大的光电探测器。 吸收一个光子，可以从两边的电极流出一个电子， 但是如果做了一个特殊结构的探测器，在这个地 方有很强的电场，光产生的电子在电场当中要加 速得到能量，能量就变得很高，能量创建原子， 一个创出来三个，三个再创出六个，这就是倍增 的效应，实际上只吸收了一个光子，创出来六个 光子。用本身会放大的光电探测器，才能够有可 能探测单个光子产生的电流。
1.2纠缠
什么是“纠缠”？
现在有两个光子，A光子可以有两种状态，一 个极化方向向上，一个极化方向向下。同样B光 子也有向上和向下的极化方向。在数学上，A的 向上乘上B的向下，减掉A的向下，乘上B的向上， 乘上根号2。这个状态一般叫做两个光子纠缠不清 的状态。
假如我知道A光子的偏振方向是向上的，所以 A光子向下的状态一定是等于0的，则B光子的偏 振方向一定是向下的。反过来也是一样。而这种 纠缠关系，A光子跟B光子可以离的很远很远。举 一个例子，把A光子放在地球上，B光子放在人造 卫星上，A光子极化是向上的，不用跑到人造卫 星上，一定知道B光子是向下的。
结语
量子通信与量子计算机是一个综合学科，它已 大大超出了电子学与经典信息论的范畴，需要 物理学、量子力学等基础学科的研究合作，才 能推动它的不断成熟。 量子通信、量子计算机必然走向成熟，到那时， 电子信息技术又将进入一个崭新的时代。
1.3通信过程

首先，假设甲手头有一个粒子 A处于未知量 子态，她希望将这个量子态（即一个量子比特的 量子信息）送给远处的乙，但不传送作为信息载 体的粒子 A本身。甲和乙事先需要共享 E PR粒子 对 B和 C（即纠缠粒子），由于 E PR粒子对具有 量子关联特性，若对其中一个粒子进行局域操作 （包括测量），另一个粒子的量子态立即发生相 应的变化，因此 E PR粒子对构成甲和乙之间的一 条量子通道。
利用单光子极化编码

把随机信息赋予单光子的极化，根据量子 不 可克隆定理，使用经典通信的方法可以保证绝对 的防止窃听。但在实际应用中，因为噪声的存在 和环境对光子的吸收，导致光子数呈指数衰减， 所以远程通信势必要求高亮度的单光子源，在现 有的技术条件下是不现实的。
利用纠缠源来做密钥分配

根据量子纠缠的特性，窃听者利用局域操作 无法得到任何信息，并且，产生密钥的双方可以 通过测量贝尔(Bell)不等式的方法来判断是否存在 窃听。在理论上，这种方法也是绝对安全的。而 且这种利用纠缠对的量子密钥分配方法在远程通 信过程中可以设立很多中继站，利用纠缠交换的 方法，可以让光子衰减变成线性衰减，这样就可 以克服单光子密钥分配的缺点。

如果光只有单个原子的话，当两个探测器快 门打开的延迟时间Detector等于0，同时打开，两 个探测器同时收到光子的机率应该等于0，因为它 只可能一个光子要不到这儿，要不到那儿，不可 能两个同时探测到。这样就达到了我们的要求。
三、我国最近成果

中国科学院高技术研究与发展局组织了对中科 院知识创新工程重要方向项目“量子通信技术的 研究”中期评估会。 此项目组织了中国科技大学、物理所、半导 体所、上海技术物理所、理论物理所等优势单位 参与，项目首席科学家为郭光灿教授。项目参与 单位近两年来共发表论文131篇，其中国际著名 刊物《物理评论通讯》论文6篇，《物理评论》 37篇，申请及获得专利4项。
什么是量子通信？
我们可以通过类比来了解它的意义： 电子通信：通过电信号的参数传送信息 量子通信：由量子态携带信息 量子通信系统的基本部件 量子态发生器、量子通道和量子测量装置。


量子通信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;

最基本的有一个低能性，就有一个高能性。 当电子从低能极往高能极跳的时候就会放出一个 光子，有一个特定的频率。只有当放出的光跟谐 振腔的光一模一样，频率一样，模式一样，它才 能够在光斜枪里存在，利用这个可以走向单光子 的发射。不到一微米，有一个人造原子，希望在 光谐腔里只有一个原子。

怎么检测每个光脉冲只有单个光子？利用单 个原子发光的反聚集的效应，如果光只有一个原 子，受激以后，电子从低能极往高能极跳的时候， 一定的时候只能发射一个光子，不可能发射两个 光子，这就是所谓的反聚集的效应。把两个探测 器放在这儿，探测结果到相关器里合成一下，这 两个探测器设法用快门控制，两个快门打开的时 间可以延迟，可以调解，有可能这个快门先打开， 过了一个Detector提示器的时间时候可以打开。

怎么能保证光源在特定的时候只发射一个光 子？光学的谐振腔，用两个反射镜，稍微有点透 射，一个激光在反射镜里来回走的时候，会产生 光的共振现象，只能选择一定频率、一定模式的 光，叫做光学的谐振腔，不光是一个方向，是三 维的谐振腔，存在的光的电磁场只有一个特定的 频率，一个特定的模式。里面放了单个原子，不 再是人造原子，叫做量子。
定义

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 之后，就可制造出原物量子态的完全复制品。这 个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（甚至可以是与原物不相 同的粒子）处于原物的量子态上。
量 子 通 信
材料物理 杨一宏 王慎之
2005年5月27日
量子信息学

建立在20世纪物理学支柱之一的量子力学 基础之上的量子信息学，是一门利用微观 粒子的量子力学原理来解决经典信息学和 经典计算机所不能解决的问题的学科，因 此量子信息学是量子力学和信息学的交叉 科学。量子信息学最重要的两个应用方向 是量子通信和量子计算。

我们无法直接看到量子世界的现象，只有通 过一些数据和据此描绘出的曲线。经分析发现， 在对纠缠对中一个光子进行操作的同时，另外一 个光子也会发生相应的变化，这说明光子没有被 传递而它的状态即携带的信息已被传递过去。
1.5不足之处

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。
1.4验证

如何知道是否产生的就是纠缠光子对呢？我 们利用一块特殊晶体将产生的一对发生纠缠的光 子分开，然后让光子和第二对光子通过一种晶体， 消除它们之间的纠缠，产生一个独立态的光子。 再通过光路处理将这个独立态的光子和纠缠对光 子中的一个放在一起，观察这个独立态的光子对 纠缠对中的一个光子产生的影响，是否对另一个 产生同样的影响。
纲要： 一、量子隐形传态 二、量子密钥
三、我国最近成果
一、
量子隐形传态
1.定义及原理 2.纠缠 3.通信过程 4.验证 5.不足之处
1.1定义及原理

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，人 们可以这样地想象量子隐形传送的过程： 先提取原物的所有信息（量子态），然后 将这个信息（量子态）传送到接收地点， 接收者依据这些信息（量子态），选取与 构成原物完全相同的基本单元（如原子）， 制造出原物完美的复制品。
原理

在量子世界里，有特殊关系的两个光子之间， 信息的传递是不需要媒介的。当其中的一个光子 接受信息时，它本身无需运动，也不用借助其他 媒介。另一个光子自然会接收到这个信息。这种 特殊关系，专业术语叫“纠缠” 。而作为处于量 子世界的两个相互关联的光子，它们不但可以感 受到对方发出的量子信息，而且还可以做出相应 的状态变化，这是基于量叠加态这一基本性质。

然后，甲对她手头上的纠缠粒子 B和量子信 息载体 A实施一种所谓的 B ell态测量，这个测量 可能输出4种结果，每种测量结果的几率为1／4, 但一次测量只能给出其中一个结果。甲测量到其 中一个 B ell态后，获得2比特的经典信息，当然 这个信息完全无法用来确定未知的量子比特。

最后，甲将测量结果（即获得那一个 B ell态） 经由经典通道传递给乙，乙手头的纠缠粒子 C会 因甲的测量坍缩到相应的量子态上，于是乙在获 知甲的测量结果之后，对粒子 C做相应的操作， 便可以使粒子 C处在与粒子 A原先未知量子态完 全相同的量子态上，这就完成了粒子 A的未知量 子态的量子隐形传送，此时量子信息的载体是粒 子 C，在这过程中甲和乙都不知道他们所传送的 量子比特是什么。
如何产生纠缠光子呢？
现在有一些非线性的光学晶体 （BBO），利 用光，叫做泵浦光，频率是ΩP，把非线性晶体里 的发光中心从低能性绕到高能性，这个电子在往 回返的时候要发出两个光子，一个频率叫做信号 光子，一个是闲置光子。
发出的两个光子，要满足: 1.能量守恒: Ep=Es+Ei 2.动量守恒: Kp=Ks+Ki 泵浦光沿着晶轴方向，由于非线性晶体穿梁下 转换，闲置光，在两个交叉的地方形成了纠缠光 子对。

一个量子物质的传送过程就像光在光 纤里传输过程一样，如果一个偷听者想在 某一个地方偷听信息，或者将该信息内容 复制下来，这就是一种测量行为，这种测 量对量子体系来说意味着对整个体系的破 坏，其结果是被测量的信息将全部消失。
2.2制作方法

使用光子做密钥分配一般有两种方法： 一 利用单光子极化编码， 二 利用纠缠源来做密钥分配

三是,脉冲和连续光子纠缠源的亮度超过104/ 秒，达到国际先进水平，在实验上实现量子态的 纠缠浓缩和量子纠缠交换。 四是,实验验证了Kochen-Specke (K-S)理论， 否定了与理论无关的隐参量理论，有力地支持了 量子力学。


此图表是日本在量子 通信和量子密钥方面的发 展计划，在网上找资料是 明显的感觉到日本在这方 面已经有了很大的超越， 尤其是在应用方面，日本 的日立、三菱等公司做得 非常超前。 希望我们国家能尽快 在这方面赶超上来，以便 在未来的挑战面前能有足 够的中实现了量子密钥远距离传输 50公里；建立基于量子密码的保密通信系统，在 科大东、西校区往返6.4公里的普通光纤中可实时 地传送加密的动态图像，采用纠错技术，传送图 像的质量显著改善；经由望远镜系统成功地实现 12米自由空间中量子密钥的传送。

二是,提出基于激光操控原子系综的量子中继原理 和方法，解决了远程量子通信中保真度指数衰减 这一关键性的问题，该成果引起国际学术界的高 度重视。该项目已建成热原子系综的实验系统并 在实验研究上取得重要进展，观察到写入和读出 光子之间的非经典关联。