量子通信概述

主要内容：
量子通信的定义 量子通信的需求 该领域国内外最新成果 量子通信系统简介 量子通信基础理论 量子通信发展简史 E91量子通信协议
定义：
所谓量子通信是指利用量子 纠缠效应进行信息传递的一 种新型的通讯方式，是近二 十年发展起来的新型交叉学 科，是量子论和信息论相结 合的新的研究领域。量子通 信具有高效率和绝对安全等 特点，是目前国际量子物理 和信息科学的研究热点。
量子纠缠理论的发展： 从19世纪末到20世纪初，量子力学快速发展并完善起来。在 量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠 缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能 立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相 距多远，都能“感知”和影响对方的状态，这就是量子纠缠。 尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，但却 不愿意接受它，并斥之为“幽灵般的超距作用” 。 法国物理学家艾伦·爱斯派克特和他的小组成功地完成了一 项实验，证实了微观粒子“量子纠缠” 的现象确实存在， 量子纠缠的实证已被认为是近几十年来科学最重要的发现之 一，对科学界和哲学界产生了深远的影响，成为量子计算机 和量子通信的理论基础，并从理论走向现实，逐渐走进人们 的日常生活。
爱因斯坦光量子：
1905年，爱因斯坦在一篇论 文中提出，关于光的产生和 转化的瞬时现象，波动论的 结论同经验不相符；要解释 这类现象，只能假设光是由 能量子所组成，即“光量 子”，以后人们称其为“光 子”。这是人类认识自然界 历史上第一次揭示了微观客 体的波动性和粒子性的对立 统一，即“波粒二象性”， 同时也为量子理论的发展打 开了局面。
量子通信基础理论：
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”。
量子通信发展简史：
普朗克能量子
1900年，物理学家普朗克提出了一 个大胆假说：物体在产生和吸收辐 射时，能量不是连续变化的，而是 以一定数量值整数倍跳跃式地变化 的。也就是说，在辐射的发射或吸 收过程中，能量不是无限可分的， 而是有一最小的单元。这个不可分 的能量单元，普朗克称它为“能量 子”或“量子”，即普朗克常数。 普朗克因此获得诺贝尔物理学奖， 同时也为量子论奠下基石。
量子通信概述
杨四雄 2012年7月9号
第五次索尔维会议与会者合影(1927年) 第三排：奥古斯特· 皮卡尔德、E. Henriot、保罗· 埃伦费斯特、Ed. Herzen、Théophile de Donder、欧文· 薛定谔、E. Verschaffelt、沃尔夫冈· 泡利、沃纳· 海森堡、R.H.福勒、里 昂· 布里渊， 第二排：彼得· 德拜、马丁· 努森、威廉· 劳伦斯· 布拉格、Hendrik Anthony Kramers、保 罗· 狄拉克、亚瑟· 康普顿、路易· 德布罗意、马克斯· 波恩、尼尔斯· 玻尔， 第一排：欧文· 朗缪尔、马克斯· 普朗克、玛丽· 居里、亨得里克· 洛仑兹、阿尔伯特· 爱因斯 坦、保罗· 朗之万、Ch. E. Guye、C.T.R.威尔逊、O.W.里查森
• 2009年：中国科学技术大学的科 研团队，在合肥构建和演示了一 个4节点全通型量子通信网络。 并在2008年8月，该团队曾研制 了20km级的3方量子电话网络， 同时也是目前全世界传输最长的 量子通信网络。
量子通信系统简介：
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。 从物理学角度，可以这样来想象量子通信的过程：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。
量子力学的基本方程： 1926年薛定谔发现波动力学和矩 阵力学从数学上是完全等价的， 由此统称为量子力学，而薛定谔 的波动方程由于比海森伯的矩阵 更易理解，成为量子力学的基本 方程。
量子力学创立：
1932年，德国理论物理和 原子物理学家海森堡因为 创立量子力学，而获得诺 贝尔物理学奖。 由于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，所以海 森堡对于量子通信的发展 是功不可没的。
一个有趣的现象：
“量子纠缠”理论提出之后，爱因斯坦是坚决反对的，并且 还坚持认为不可能存在比光速还要快的信号。根据1905年出版 的爱因斯坦的相对论，他认为没有物体的运动速度能够超过光 速。 爱因斯坦的相对论解释说，当物体加速时，物体本身的质 量增加，而加速需要能量。随着物体质量的增加，维持速度所 需的能量也更多。当物体以接近光速运行时，爱因斯坦经过计 算说，它的质量将达到无限大，所以要使得物体继续运行的能 量也要无限大，而要超过这一极限是不可能的。
1993年，基于量子纠缠理论，美国科学家贝内特提出了量 子通信（Quantum Teleportation）的概念。之后，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。 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。 经过多年的发展，量子通信这门学科已逐步从理论走向实验， 并向实用化发展，主要涉及的领域包括：量子密码通信、量 子远程传态和量子密集编码等。
E91量子通信协议：
Hale Waihona Puke E91量子通信协议示意图 理论基础：爱因斯坦“幽灵般超距作用”的量子行为——两个粒子经过相互作用 后似乎就具有了某种“心电感应”：无论距离多远，只要一个粒子的状态发生变 化，另一个粒子也会改变状态。这种“心电感应”几乎是在瞬间发生，远远超过 光速。 如果爱丽丝和鲍勃各持有这样一个粒子，爱丽丝只要对粒子进行某种操作，这个 信息就会瞬间传输到鲍勃处。在E91协议中，爱丽丝和鲍勃先各自随机选取方式 对各自的粒子进行测量，然后选取双方使用了相同测量方式得到的结果作为密钥。 若检查是否存在窃听者伊娃，爱丽丝和鲍勃只要挑选出他们使用了不同测量方式 的粒子，检测它们是否仍然是纠缠粒子对就可以了。如果两个粒子不再具有“心 电感应”，那必定有人在传输途中“偷梁换柱”。
量子通信的需求：
经典的通信方式存在其固有 的不安全性，而量子通信可 提供一种基于量子力学基本 原理的高效率、高通道容量 并且绝对安全的革新性通信 手段，其长远目标是实现绝 对安全的远距离量子通信。 因此，量子通信技术具有重 大的实用价值。
该领域国内外最新成果：
2005年：美国建成了DARPA量子网络。其连接节点有3个，分 别为美国BBN公司、哈佛大学和波士顿大学，目前延伸长度为 10公里。 2008年：欧洲联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立 了SECOQC量子通信网络，在维也纳现场演示了一个基于商业网 络的安全量子通信系统。该系统集成了多种量子密码手段，包 含6个节点。其组网方式为在每个节点使用多个不同类型量子 密钥分发的收发系统并利用可信中继进行联网。
而科学家们从实验中得到的结论，既可以反驳爱因斯坦的 “错误”观点，也可以用来解释同一事物同时出现在不同地点 这一奇异现象。爱因斯坦都无法解释的奇怪行为，正是量子物 理学和量子通信的魅力之处。
一个问题：量子论与相对论能统一吗？
量子理论提供了精确一致地解决关于原子、激光、X射线、 超导性以及其他无数事情的能力，几乎完全使古老的经典物理理 论失去了光彩。但我们仍旧在日常的地面运动甚至空间运动中运 用牛顿力学。在这个古老而熟悉的观点和这个新的革命性的观点 之间一直存在着冲突。 迄今为止所有谋求统一的努力都遭到失败，原因是这两门20 世纪物理学的重大学科完全矛盾。是否能找到一种比现有的这两 种理论都好的新理论，使这两种理论都变得过时，正如它们流行 之前的种种理论遇到的情况那样呢？