量子通信简介
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量子通信现状:
去年,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创下了通信 距离达144公里的最新纪录,并认为利用 这种方法有望在未来通过卫星网络实现信息 的太空绝密传输。这一成果还被广泛评为 2007年世界十大科技进展新闻。
量子通信由于其广泛的应用范围和各种优 越的性能,正成为一个发展前景广泛的新科 目。
• 然而,“道高一尺,魔高一丈。”往往加密者设计出一种密码, 解密者很快就找到破译的方法。当凭借智慧解密已“无药可施” 时,利用穷举法进行“蛮力攻击”的电子计算机又登上了解密 的主战场。为对抗功能强大的联网计算机,RSA等公钥密码奋 力反击。著名的RSA公钥系统由Rivet、Shamir和 Adleman3人提出,它是目前银行、网络等广泛使用的公开密 钥体制。它的安全性就基于大数因子分解,因为对于经典计算 机,后者不存在有效的多项式算法。这下,似乎“万事大吉”, 保密安全了。 • 但是,20世纪90年代,著名数学家Shor又对传统密码学进行 了一次彻底颠覆。他提出量子并行定法,并证明量子计算可以 攻破目前广泛使用的公钥RSA体系。也就是说,为了对一个 400位的阿拉伯数字进行因子分解,目前最快的超级电子计算 机将耗时上百亿年,所以相对来讲,公钥体系是安全的。可是, 一旦出现具有相同时钟脉冲速度的量子计算机,只需大约1分 钟便可计算完毕。
• 通信的方式:
古代的烽火台、击鼓、驿站快马 接力、信鸽、旗语等,现代的电信等。 古代的通信对远距离来说,最快也要几 天的时间,而现代通信以电信方式,如 电报,电话,快信,短信,E-MAIL等, 实现了即时通信。
可是,仅仅有这些是远远 不能满足需要的
先来看一个密码攻防战中的典型范例:
第二次世界大战中,波兰人和英国人成 功破译了德国著名的“恩格玛”密码, 因此,盟军提前得知了德国的许多重 大军事行动;美军破译日本的高级密 码———“紫密”,从而击毙了日本海 军大将山本五十六,扭转了美军太平 洋战场的被动局面。保密通信的原理 在于,唯有掌握密钥的人可以轻易重 现传递的信息。信息的安全性主要依 赖于密钥的秘密性。而密钥,就像两 人通信的暗号,双方预先设定协议, 即便外人知道暗号的形式,却不知道 它代表的含义,正所谓“天知、地知, 你知,我知”。
的目的,同时使储存、传输信息的人立即发觉被窃密。
• 随着量子力学理论的提出和逐步完善,1993年, C.H.Bennett 提出了量子通信的概念。 • 所谓“量子通信”,是指利用量子纠缠(quantum entanglement)效应进行信息传递的一种新型的 通讯方式。 • 量子通讯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。目前量子 通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量 子密集编码等,近来这门学科已逐步从理论走向实 验,并向实用化发展。
量子密钥:
• 制作方法:
一 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。
二 利用纠缠源来做密钥分配:
下面开始讨论正题,一些实际的问题:
Point 1如果量子计算机是‘利剑长矛’,那量子密码技术就是抵御它的一 面‘盾牌’.量子密码提供了一种不可窃听、不可破译的新一代密码技术。 因为,若从经典物理的范畴,密钥本身被非法用户复制,可以“神不知,鬼 不觉”,不被人发现;密钥在传递时被他人窃听,合法用户也无法识破。但 是,量子密码却能确保保密通信的“万无一失”。
量子Biblioteka Baidu形传送:
1993年美国物理学家贝尼特等人提出了量子隐形传送的方 案:将某个粒子的未知量子态(即未知量子比特)传送到另一 个地方,把另一个粒子制备到这个量子态上,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 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。原物的量子态在此 过程中已遭破坏。
Point 2量子力学中的海森伯不可确定性原理和不可克隆定理说明,量子世界 中的任何事件都是不可能被窃听的.只要窃听,就会留下痕迹.正是这些基本原 理确保了量子密钥分配的安全性。具体来讲,单个粒子的量子态———偏振 或相位等,可以用来编码、储存和传输信息,如果有一个窃密者想要窃取这 些信息,就会在截获粒子的一瞬间改变其量子态,使信息失真,达不到窃密
• 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送和量子纠缠的分发。 (所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的 信息传送)
量子密钥:
• 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。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
• 量子纠缠又译量子缠结,是一种量子力学现象,其定义上描述 复合系统(具有两个以上的成员系统)之一类特殊的量子态, 此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积(tensor product)。 • 具有量子纠缠现象的成员系统们,在此拿两颗以相反方向、同 样速率等速运动之电子为例,即使一颗行至太阳边,一颗行至 冥王星,如此遥远的距离下,它们仍保有特别的关联性 (correlation);亦即当其中一颗被操作(例如量子测量) 而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化。如此 现象导致了“鬼魅似的远距作用”(spooky action-at-adistance)之猜疑,仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般, 似与狭义相对论中所谓的局域性(locality)相违背。这也是 当初阿尔伯特· 爱因斯坦与同僚玻理斯· 波多斯基、纳森· 罗森于 1935年提出以其姓氏字首为名的爱波罗悖论(EPR paradox) 来质疑量子力学完备性之缘由。
• 左图为中国科大研究人员 提出一种具有非常好的单 向传输稳定性的量子密钥 分配实验方案。该保密通 信系统实现了单向长期稳 定的量子密钥分配。解决 了国际上一直未解决的长 期稳定性和安全性的统一 问题,解决了量子密码技 术由实验室走向实际应用 的重要难题,使我国量子 保密通信在国家信息安全 中的应用迈出了关键的一 步。
量子隐形传送:
量子隐形传送与量子远程通信密切相关。 “teleportation”一词是指一种无影无踪的 传送过程。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(如:原子),制造出原物完美的复 制品。遗憾的是,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 传物只不过是种幻想而已。
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。
量子隐形传送
1997年年底奥地利的一个研究小组首先在实验上 演示成功了量子隐形传送,论文发表在《自然》上, 引起国际学术界的极大兴趣。此后,有若干研究小 组也相继在实验上实现了量子隐形传送。
量子隐形传送所传输的是量子信息,它是量子通 信最基本的过程。人们基于这个过程提出了实现量 子因特网的构想。量子因特网是用量子通道来联络 许多量子处理器,它可以同时实现量子信息的传输 和处理。相比于现在经典因特网,量子因特网具有 安全保密特性,可实现多端的分布计算,有效地降 低通信复杂度等一系列优点。
量子通信简介 Quantum Teleportation
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通信是人与人之间同过某种媒体进行的信息 交流与传递,从广义上说,无论采用何种方 法,使用何种媒质,只要将信息从一地传送 到另一地,均可称为通信。