量子物理与信息技术郭光灿

C.正交态方案；
D.信道加密方案
二、量子密码
偏振态编码
Alice
Bob 1 0
二、量子密码
光子相位量子态
上 单光子
分束器
下
单光子探测器
D1
1 上＋下
D2
2
单光子干涉
二、量子密码
相位编码方案(BB84协议）
相位调制器
D1
Alice安全区
相位调制器
D2
Bob安全区
二、量子密码
BB84方案偏振编码
可调衰减器
光缆干线至北京 (量子信道)
光环行器
CWDM 波分复用器
光缆干线至北京 (经典信道)
二、量子密码
北京—接收端系统图
光学调制器
计算机
至天津光缆干线
(量子信道)
光环行器
单光子探测器
至天津光缆干线 (经典信道)
CWDM 波分复用器
同步信号探测器 100M光端机
二、量子密码
1、解决了相位编码量子密钥分配系统在实际通 信线路中的长期高稳定度运行问题；
经典密钥分配
于
公
钥
的
保
密
通
信
二、量子密码
量子密钥分配
二、量子密码
二、量子密码
量子密钥分配
1.量子密钥分配的安全保证
A. 以单光子(量子)携带信息, 不怕敌人分取信息;
B. 量子不可克隆定律保证敌人不可能拷贝信息。
——物理层面的安全性
2.量子密钥分配的几种方案
A.BB84（B92）方案；B. EPR方案
0公里
25公里
50公里
75公里
二、量子密码
法拉第反射镜往返式方案
单光 子探 测器1
单光 子探 测器2
衰
减
器 dB
分
环束
相
偏
行器
位
振
器
调
分
干
1550nm 激光器
制
束
线
器
器Hale Waihona Puke Baidu
光
缆
法
拉
衰光
第
减子
反
器存
射
分
储
镜
束
线
器
相位调制器 Pin二极管
日本人100公里（室内）；瑞士人67公里（通讯线路）
二、量子密码
（1）瑞士（日内瓦湖底67公里，实际通讯线路）
减器
偏振无关 相调制器
普通 dB 分束器
普通 dB 分束器
偏振无关 相调制器
普通 dB 分束器
单光子探测器2
干线光缆
单光子探测器1
室内：英国人122公里；日本人（测试）150公里
二、量子密码
英国（122公里，2004年4月）；日本（150公里，测试）
实 验 室 内 结 果
二、量子密码
双不等臂M-Z的不稳定性
两个存储器
经典 可存储00,01,10或11(一个数) 量子 可同时存储00,01,10,11(四个数)
量子密码
量子通信网络
量子计算 等等。
一、引言
量子不可克隆定理： 不存在物理过程可精确地复制任意量子态。
A
B
量子克隆机
量Z子密码安全性的基础 量子信息提取不可逾越的障碍
A
B
一、引言
薛定谔猫
一、引言
EPR效应
B
A
EPR粒子对
非局域性：对A（或B）的任意测量必然会影响B （或A）的量子态，不管A和B分离多远。
量子纠缠态
AB
1
2
A－B构成“量子通道”。
一、引言
量子信息技术
量子密码 量子因特网
量子计算
二、量子密码
军事指挥系统的保密通信
二、量子密码
网络政务
网络主会场
量子网络路由器
网络分会场A
网络分会场B
二、量子密码
远程授权与网络合同
二、量子密码
经典密钥分配
基 于
私
钥
的
保
密
通
信
二、量子密码
基
光子偏振态代表0,1两组基共四个不同的偏振态 例如：
线偏振基（水平、垂直） 圆偏振基（左旋、右旋）
Alice 随机选送四个态中的任意一个, Bob随机选任意一组基测量
二、量子密码
BB84方案偏振编码
1.Alice随机选择一个偏振态光子传出 2.Bob 随机选择一组偏振基同步测量 3.Bob实际测得的偏振光子（只Bob知道） 4.Bob通知Alice测量到光子用的偏振基（不是态） 5.Alice告诉Bob那些选择是正确的 6.双方按约定转换成0、1
量子物理与信息技术
郭光灿 中科院量子信息重点实验室
目录
一、引言 二、量子密码 三、量子计算的基本原理 四、量子计算的物理实现 五、我们近期的研究进展 六、结束语
一、引言
何为“量子信息”
以比特(0或1)作为信息单元, 称为经典信息。 01011101001011101100001101111000001100…… 以量子比特作为信息单元, 称为量子信息。
二、量子密码
（2）日本（ 100公里，NEC 2003，实验室内）
二、量子密码
世界上第一台商用量子密码机 NAVAJO
二、量子密码
光纤量子密钥分配实用化研究遇到的关键性问 题： ❖往返式M-Z干涉仪，稳定但不安全(可用木马光
子窃听而不被发现) ❖单向式M-Z干涉仪，安全但不稳定。
我们设计了一种新型方案，既安全(单向)，又 稳定。(申请发明专利)
二、量子密码
稳定性（测试距离175公里）
相位缓慢漂移
条纹长期稳定
二、量子密码
极限传输距离
二、量子密码
三代核心装置
2004
2003
2002
二、量子密码
二、量子密码
光缆线路图
二、量子密码
二、量子密码
二、量子密码
天津—发射端系统图
计算机
光学调制器
1550激光器
1530激光器 100M光端机
2、使用较少（一对光纤线路）的光缆线路资源 实现了量子密钥分配与加密图像信号的传输；
3、本实验的结果证明： 125公里范围内的实际光缆线路量子保密通 信的关键性技术障碍已经全部克服！
三、量子计算的基本原理
量子计算机的并行计算能力
一个存储器 经典 可存储0或1（一个数） 量子 可同时存储0和1（两个数）
二、量子密码
BB84方案相位编码
以M-Z干涉仪分配密码 第一组基：0，； 第二组基： /2，3 /2 （水平、垂直偏振） （左，右圆偏振） 优点：不受途中外界干扰影响 1. 可能的传输距离远； 2. 长期稳定性好； 3. 抗干扰力强。
二、量子密码
双不等臂M-Z干涉仪方案
普通 dB 分束器
窄带激光 光衰
量子比特： C1 0 C2 1 , C1 2 C2 2 1.
1
2
3
4
N
量子信息是经典信息的扩展和完善，正如复数z=x+iy 是实数的完善和扩展。
一、引言
“量子比特”与“比特”有何区别？
以单光子作为信息物理载体为例: 经典信息：有光子代表“1”，无光子代表“0”
10
01
1
0
1
一、引言
量子信息：以光子的量子态表征信息 如约定光子偏振态，圆偏振代表“1”，线偏振代 表“0”（每个脉冲均有一个光子）。
偏振态 经典比特
01
001
1
0
一、引言
量子态有何特殊性质？
单光子
上
光电探测器
D1
分束器
D2
下
1 上＋下 2
一、引言
一则漫画
一、引言
量子信息过程遵从量子力学原理，于是可实现 经典信息无法做到的新信息功能。 如: