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量子通信原理简介
• 量子隐形传态 • 所谓量子隐形传态利用了纠缠态粒子之间的特殊“心灵感应”，即不
论相隔多远，只要两个粒子仍然保持着纠缠态，其中一个发生了变化， 另一个一定发生相应的变化。 • 1993年，Bennett等来自四个国家的六位科学家演示了第一种量子隐 形传态方案，其过程如下 • Alice与Bob分别拥有一对纠缠粒子对2,3中的2与3. • Alice要向Bob发送消息，Alice对某粒子1 的当前状态未知，她将联 合测量粒子1与2。因为测量，所以粒子1与2发生了变化，由于2与3 是纠缠态粒子，于是3也会发生相应的变化。 • Alice通过经典信道将测量结果告诉Bob，Bob对3进行一系列操作将 能得到粒子1的最初状态。
• 实际中人们利用加密的方式传送信息，发送者通过密钥将 需要发送的信息转化为密文，接收者再通过密钥将密文转 化为可以直接读取的信息。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 然而这种形式的信息传送也并不安全。首先双方需要分配 密钥，传统的信息传送方式除了效率极低的信使或会晤外， 都无法避免密钥的泄露。
• 而且几乎所有的密码都存在被破解的可能，因而需要时常 更换密码。而现代商业或航天活动中这显然又面临着密钥 泄露或密钥难以甚至无法传送的矛盾。
量子通信原理及应用前景 简介
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传统通信的缺陷与量子通信
• 现在人们广泛使用着多种通信方式，这些通信技术为人类 社会的进步发展提供强大助力，可以说没有这些通信方式 就不会有今天人类社会的繁荣局面。
• 但是在这些通信技术手段为人们带来巨大帮助的时候，却 始终有一个问题难以得到有效解决，那就是通信中的保密 问题。
密文长度相等。这种密码的实际使用需 要传送的绝对保密性。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 随着现代计算机的计算能力的飞速发展，现在的常用密码体制终究有 一天会变得无密可言。
• 解决现在的通信保密难题的途径只有两条，即确保通信内容不被己方 不知的情况下被窃听，或是使用Vernam体制密码。然而这些都是传 统的通信手段所无法做到的。
9
量子通信原理简介 量子通信原理简介 • 概率隐形传态
• 在Bennett等人提出的标准量子隐形传态方 案中,采用最大纠缠态作为量子通道来传送未 知量子态,隐形传态的成功率必定会达到 100%,但是在实际中由于量子态和周围环境 的耦合是不可避免的,所以,作为量子通道的 这些最大纠缠态在制备过程中会受到上述及 其它因素的影响而很难得到,最终粒子对处于 部分纠缠或非最大纠缠态.因此,运用部分纠 缠态作为量子通道就具有很大的实际意义.
• 当以部分纠缠态作为量子通道时实现的是概 率隐形传态概率隐形传态中需要引入一个辅 助粒子，其与粒子3一同操作。最终观察辅 助粒子的状态，根据它的状态判断传态是否 成功。
• 在量子隐形传态中外界根本无法得到有用的 信息，因为粒子2,3只在Alice与Bob手中， 窃听者从经典信道中获得了信息也完全无法 推出有关粒子1 的任何有用信息。即窃听者 无法获得Alice与Bob之间传递的信息。
• 今天，人类已经开发研究出了新的通信技术，量子通信技 术，其在理论上是可以保证绝对保密的通信技术手段。这 也是今天我向大家讲解介绍的内容。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 传统的通信技术包括最原始的诸如烽火等依靠声光传播信 息的手段，以及现代各种有线无线通信手段，如光纤，微 波通信等等。除开信使与直接会晤这种效率极低下的通信 方式外，其余所有的通信方式都无法真正避免通信内容在 通信双方不知情的情况下被窃听者获取。
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量子通信原理简介
• 量子密钥分配 • 前面说到除非经常更换的密码或Vernam体制密码，否则无法保证密
钥的安全。经常更换密码则会在信道中泄露密钥。量子密钥分配正是 通过确保密钥在传递过程中的安全性实现彻底安全的通信。 • 1984年，来自IBM研究组的Bennett与加拿大蒙特立尔大学的 Brassard一起提出了第一个实用性的量子密码通信协议一BB84协议 • 1991年，牛津大学的Ekert提出了 E91协议，即EPR协议。1992年， Bennett提出用两个非正交态实现量子密码通信—B92协议 • 基于量子密钥分配BB84协议的通信过程实际上分为两步。 • 第一步，分配密钥。 • 第二步，通过经典信道进行密文传递。
• 但是，量子通信却可以做到这些。 • 目前，量子通信尚无严格的定义。物理上，量子通信可以被理解为在
物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信。信息学上，我们则认 为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不可克隆原理和量 子态的测量塌缩性质等）或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属 性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。
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量子通信原理简介
• 量子通信的安全性源于量子力学的基本原理。 • 一是不确定性原理，也称测不准原理，即不可能同时精确
测量两个非对易的物理量，如量子的坐标和动量。 • 二是测量塌缩原理，即对量子态进行测量会不可避免地使
该量子态塌缩到某一个本征态上，这意味着对量子态进行 测量都会留下痕迹。 • 三是不可克隆定理，即一个未知的量子态是无法被精确克 隆的。 • 此外还有量子纠缠态，相互纠缠的两个粒子无论被分离多 远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发 生相应变化的现象
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量子通信原理简介
• 量子隐形传态 • 需要说明的是，Alice处的粒子1失去其测量前的状态，而远在Bob处
的某粒子则获得了粒子1 的初始状态，该过程的净结果是粒子1的状 态未进过物质传递，转移到了Bob处。 • 粒子2变化的同时粒子3也会发生变化，实验证明纠缠态粒子之间的反 应速度>107C，然而量子的隐形传态需要经典信道的辅助传送测量结 果，其上的时间消耗与Bob处 的操作时间决定了量子隐形传态不可能 超光速。
• 但是随着计算机计算能力的不断发展， 这样的密码机制变得越来越不安全。上 面的那道解密题到了1994年,只用8个月 就能解出。尤其是Shor量子算法证明,采 用量子计算机可以轻而易举地破译这种 公开密钥体系。
• 目前世界上只存在一种被证明无法破解
的密码，Vernam密码体制，但是这事
实上是一种一次性密码，且密钥长度与
4
Fra Baidu bibliotek
传统通信的缺陷与量子通信
• 传现发代送统网方通络的商密信业钥的上是常公缺用 开陷的的是，与非而量对接称收子密方通钥的。密信 钥则只有接收者知晓。该体制的安全性 是基于大数因式分解这样一类不易计算 的单向函数。比如1977年,美国出了一道 解密题,其解密需要将一个129位数分解 成一个64位和一个65位素数的乘积,估计 用当时的计算机需要用4×1016年。
量子通信原理简介
• 量子隐形传态 • 所谓量子隐形传态利用了纠缠态粒子之间的特殊“心灵感应”，即不
论相隔多远，只要两个粒子仍然保持着纠缠态，其中一个发生了变化， 另一个一定发生相应的变化。 • 1993年，Bennett等来自四个国家的六位科学家演示了第一种量子隐 形传态方案，其过程如下 • Alice与Bob分别拥有一对纠缠粒子对2,3中的2与3. • Alice要向Bob发送消息，Alice对某粒子1 的当前状态未知，她将联 合测量粒子1与2。因为测量，所以粒子1与2发生了变化，由于2与3 是纠缠态粒子，于是3也会发生相应的变化。 • Alice通过经典信道将测量结果告诉Bob，Bob对3进行一系列操作将 能得到粒子1的最初状态。
• 实际中人们利用加密的方式传送信息，发送者通过密钥将 需要发送的信息转化为密文，接收者再通过密钥将密文转 化为可以直接读取的信息。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 然而这种形式的信息传送也并不安全。首先双方需要分配 密钥，传统的信息传送方式除了效率极低的信使或会晤外， 都无法避免密钥的泄露。
• 而且几乎所有的密码都存在被破解的可能，因而需要时常 更换密码。而现代商业或航天活动中这显然又面临着密钥 泄露或密钥难以甚至无法传送的矛盾。
量子通信原理及应用前景 简介
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传统通信的缺陷与量子通信
• 现在人们广泛使用着多种通信方式，这些通信技术为人类 社会的进步发展提供强大助力，可以说没有这些通信方式 就不会有今天人类社会的繁荣局面。
• 但是在这些通信技术手段为人们带来巨大帮助的时候，却 始终有一个问题难以得到有效解决，那就是通信中的保密 问题。
密文长度相等。这种密码的实际使用需 要传送的绝对保密性。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 随着现代计算机的计算能力的飞速发展，现在的常用密码体制终究有 一天会变得无密可言。
• 解决现在的通信保密难题的途径只有两条，即确保通信内容不被己方 不知的情况下被窃听，或是使用Vernam体制密码。然而这些都是传 统的通信手段所无法做到的。
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量子通信原理简介 量子通信原理简介 • 概率隐形传态
• 在Bennett等人提出的标准量子隐形传态方 案中,采用最大纠缠态作为量子通道来传送未 知量子态,隐形传态的成功率必定会达到 100%,但是在实际中由于量子态和周围环境 的耦合是不可避免的,所以,作为量子通道的 这些最大纠缠态在制备过程中会受到上述及 其它因素的影响而很难得到,最终粒子对处于 部分纠缠或非最大纠缠态.因此,运用部分纠 缠态作为量子通道就具有很大的实际意义.
• 当以部分纠缠态作为量子通道时实现的是概 率隐形传态概率隐形传态中需要引入一个辅 助粒子，其与粒子3一同操作。最终观察辅 助粒子的状态，根据它的状态判断传态是否 成功。
• 在量子隐形传态中外界根本无法得到有用的 信息，因为粒子2,3只在Alice与Bob手中， 窃听者从经典信道中获得了信息也完全无法 推出有关粒子1 的任何有用信息。即窃听者 无法获得Alice与Bob之间传递的信息。
• 今天，人类已经开发研究出了新的通信技术，量子通信技 术，其在理论上是可以保证绝对保密的通信技术手段。这 也是今天我向大家讲解介绍的内容。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 传统的通信技术包括最原始的诸如烽火等依靠声光传播信 息的手段，以及现代各种有线无线通信手段，如光纤，微 波通信等等。除开信使与直接会晤这种效率极低下的通信 方式外，其余所有的通信方式都无法真正避免通信内容在 通信双方不知情的情况下被窃听者获取。
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量子通信原理简介
• 量子密钥分配 • 前面说到除非经常更换的密码或Vernam体制密码，否则无法保证密
钥的安全。经常更换密码则会在信道中泄露密钥。量子密钥分配正是 通过确保密钥在传递过程中的安全性实现彻底安全的通信。 • 1984年，来自IBM研究组的Bennett与加拿大蒙特立尔大学的 Brassard一起提出了第一个实用性的量子密码通信协议一BB84协议 • 1991年，牛津大学的Ekert提出了 E91协议，即EPR协议。1992年， Bennett提出用两个非正交态实现量子密码通信—B92协议 • 基于量子密钥分配BB84协议的通信过程实际上分为两步。 • 第一步，分配密钥。 • 第二步，通过经典信道进行密文传递。
• 但是，量子通信却可以做到这些。 • 目前，量子通信尚无严格的定义。物理上，量子通信可以被理解为在
物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信。信息学上，我们则认 为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不可克隆原理和量 子态的测量塌缩性质等）或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属 性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。
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量子通信原理简介
• 量子通信的安全性源于量子力学的基本原理。 • 一是不确定性原理，也称测不准原理，即不可能同时精确
测量两个非对易的物理量，如量子的坐标和动量。 • 二是测量塌缩原理，即对量子态进行测量会不可避免地使
该量子态塌缩到某一个本征态上，这意味着对量子态进行 测量都会留下痕迹。 • 三是不可克隆定理，即一个未知的量子态是无法被精确克 隆的。 • 此外还有量子纠缠态，相互纠缠的两个粒子无论被分离多 远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发 生相应变化的现象
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量子通信原理简介
• 量子隐形传态 • 需要说明的是，Alice处的粒子1失去其测量前的状态，而远在Bob处
的某粒子则获得了粒子1 的初始状态，该过程的净结果是粒子1的状 态未进过物质传递，转移到了Bob处。 • 粒子2变化的同时粒子3也会发生变化，实验证明纠缠态粒子之间的反 应速度>107C，然而量子的隐形传态需要经典信道的辅助传送测量结 果，其上的时间消耗与Bob处 的操作时间决定了量子隐形传态不可能 超光速。
• 但是随着计算机计算能力的不断发展， 这样的密码机制变得越来越不安全。上 面的那道解密题到了1994年,只用8个月 就能解出。尤其是Shor量子算法证明,采 用量子计算机可以轻而易举地破译这种 公开密钥体系。
• 目前世界上只存在一种被证明无法破解
的密码，Vernam密码体制，但是这事
实上是一种一次性密码，且密钥长度与
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Fra Baidu bibliotek
传统通信的缺陷与量子通信
• 传现发代送统网方通络的商密信业钥的上是常公缺用 开陷的的是，与非而量对接称收子密方通钥的。密信 钥则只有接收者知晓。该体制的安全性 是基于大数因式分解这样一类不易计算 的单向函数。比如1977年,美国出了一道 解密题,其解密需要将一个129位数分解 成一个64位和一个65位素数的乘积,估计 用当时的计算机需要用4×1016年。