量子通信简介以及原理

量⼦通信简介以及原理

中国科学家⽇前曾经创造了97公⾥的量⼦远距离传输世界纪录，引起轰动，不过⻓江后浪推前浪。新浪科技援引美国物理学家组织⽹的报道称，维也纳⼤学和奥地利科学院的物理学家凭借143公⾥的成绩再创了新⾼，朝着基于卫星的量⼦通讯之路迈出了重要⼀步。

实验中，奥地利物理学家安东-泽林格领导的⼀⽀国际⼩组成功在加那利群岛的两个岛屿——拉帕尔玛岛和特纳利夫岛间实现量⼦态传输，距离达到143公⾥，⽐中国的远了46公⾥之多。

其实，打破传输距离并不是科学家的⾸要⽬标。这项实验为⼀个全球性信息⽹络打下了基础，在这个⽹络，量⼦机械效应能够⼤幅提⾼信息交换的安全性，进⾏确定计算的效率也要远远超过传统技术。在这样⼀个未来的“量⼦互联⽹”，量⼦远距传输将成为量⼦计算机之间信息传送的⼀个关键协议。

在量⼦远距传输实验中，两点之间的量⼦态交换理论上可以在相当远的距离内实现，即使接收者的位置未知也是如此。量⼦态交换可以⽤于信息传输或者作为未来量⼦计算机的⼀种操作。在这些应⽤中，量⼦态编码的光⼦必须能够传输相当⻓距离，同时不破坏脆弱的量⼦态。奥地利物理学家进⾏的实验让量⼦远距传输的距离超过100公⾥，开辟了⼀个新疆界。

参与这项实验的⻢⼩松(Xiao-song Ma⾳译)表⽰：“让量⼦远距传输的距离达到143公⾥是⼀项巨⼤的技术挑战。”传输过程中，光⼦必须直接穿过两座岛屿之间的湍流⼤⽓。由于两岛之间的距离达到143公⾥，会严重削弱信号，使⽤光纤显然不适合量⼦远距传输实验。

为了实现这个⽬标，科学家必须进⾏⼀系列技术⾰新。德国加尔兴⻢克斯-普朗克量⼦光学研究所的⼀个理论组以及加拿⼤沃特卢⼤学的⼀个实验组为这项实验提供了⽀持。⻢⼩松表⽰：“借助于⼀项被称之为‘主动前馈’的技术，我们成功完成了远距传输，这是⼀项巨⼤突破。主动前馈⽤于传输距离如此远的实验还是第⼀次。它帮助我们将传输速度提⾼⼀倍。”在主动前馈协议中，常规数据连同量⼦信息⼀同传输，允许接收者以更⾼的效率破译传输的信号。

泽林格表⽰：“我们的实验展⽰了当前量⼦技术的成熟程度以及拥有怎样的实际⽤途。第⼀个⽬标是基于卫星的量⼦远距传输，实现全球范围内的量⼦通讯。我们在这条道路上向前迈出了重要⼀步。我们将在⼀项国际合作中运⽤我们掌握的技术，中国科学院的同⾏也会参与这项合作。我们的⽬标是实施⼀项量⼦卫星任务。”

2002年以来就与泽林格进⾏量⼦远距传输实验的鲁珀特-乌尔森指出：“我们的实验取得了令⼈⿎舞的成果，为未来地球与卫星之间或者卫星之间的信号传输实验奠定良好基础。”处在低地球轨道的卫星距地⾯200到1200公⾥。(国际空间站距地⾯⼤约400公⾥)乌尔森说：“在从拉帕尔玛岛传输到特纳利夫岛，穿过两岛间⼤⽓过程中，我们的信号减弱了⼤约1000倍。不过，我们还是成功完成了这项量⼦远距传输实验。在基于卫星的实验中，传输数据更远，但信号穿过的⼤⽓也更少。我们为这种实验奠定了⼀个很好的基础。”[2]

传统计算机采⽤的是0与1的⼆进制计算，⼆进制很容易以电路的开与关，或者⾼电平与低电平表⽰。⽽量⼦计算则⽤⼀个个量⼦态代替了传统计算机的⼆进制计算位，称之为“量⼦位”(qubit)。可以⽤量⼦态的正向和反向⾃旋分别代表0与1。与传统计算机不同的是，量⼦态可以处于0和1的“线性叠加态”，这使得同时计算能⼒⽐传统计算机有极⼤的提升。但是⼀直以来最⼤的问题在于，量⼦计算机的核⼼，即⽤于运算的量⼦态本⾝极易受到扰动，使得计算失败。所以关键就在于如何找到⼀种⽅法，使得量⼦系统不受外界因素的扰乱。

使⽤⼀种称之为“量⼦退⽕”的技术，能够找到8个超导流量⼦位的基态，使之不被热运动或者噪声扰乱。既然许多复杂的问题最后都可以归结为寻找⼀个相互作⽤的⾃旋系统的基态，量⼦退⽕则已经有望解决⼀些形式的复杂问题了。

调整8个量⼦位，使其排成⼀列。由于特定⽅向的⾃旋会产⽣特定⽅向的磁场，让每⼀个量⼦位的⾃旋和它左右相邻的两个保持同⼀⽅向（向上或者向下）。把两端的量⼦位调整为反向，并允许中间6个量⼦位根据它们各⾃相邻的量⼦位，重新调整⾃旋⽅向。由于外⼒强制了那两个量⼦位⾃旋反向，这⼀调整过程最终变成⼀个“受阻”的铁磁体阵列。通过向同⼀⽅向倾斜量⼦位并升⾼能垒，最终使得该系统演化成了⼀种特殊的受阻⾃旋阵列即为基态。

量⼦位可以通过两种⽅式改变⾃旋⽅向：通过量⼦⼒学的隧穿机制，或者通过经典的热运动。由于加热会破坏量⼦位的量⼦性质，必须使⽤⼀种纯粹通过隧穿效应使得⾃旋反转的⽅法。使⽤冷却系统，直到隧道和热运动导致的转换都已经停⽌，量⼦位被“冻结”。通过在

不同温度下重复这⼀过程，

就能够确定如何只使⽤隧

道效应完成量⼦退⽕。增加

⾃旋的数量，可以使该系统

提供⼀个物理上实际可⾏

的⽅法来实现⼀些量⼦算

法。研究⼈员如今正应对这⼀挑战，并计划将这⼀过程应⽤于，诸如机器学习和⼈⼯智能之类的领域。

量⼦纠缠可以⽤来通讯是常⻅误区

1.纠缠态粒⼦双⽅必须在约定好的时间上“同时”测量⼦在某⼀⽅向上的⾃旋，⽽这种⾃旋的状态存在⼀种相关性（调整⻆度，可以达到100%正相关）

所以量⼦通信不可能达到超光速的信息传递

因为⾃旋的状态是随机的，⽐如1,0，-1，如果是完全正相关，在A点测的时候是1，B点也是1.但是A点的测试员不知道他会出现1还是0还是−1，这三个数字是随机的，只不过AB两点有超光速的“影响”⽽已

可以看做是⼀种纠缠态粒⼦之间的“加密”信息。。。

⽽且测量的时间必须是约定好的（如果参考系的运动速度有很⼤差异，要⽤狭义相对论修正约定的时间的），也就是说不能⽤测量间隔做信息传递的⽅式（相隔⻓时间测量和相隔短时间测量），因为如何测量都是约定好的。[4]

2.⾸先，你可以制造⼀个纠缠态，（⾜够⻓的时间后）让它可以在⾜够远的空间点之上产⽣关联，但是⼀旦测量破坏了这个态（标准量⼦⼒学⾥这个态的破坏（塌缩）是瞬时传遍全空间的，我们⼀般说的利⽤量⼦纠缠的超光速就是指这⼀步），你就不能重新（超光速的）在这两点之间建⽴新的纠缠态。

我们要从量⼦态提取信息，就必须测量，⼀旦测量，纠缠态就会破坏，因此你如果要保持纠缠态，就不能对它进⾏测量。假设有⼀个纠缠态存在，在A进⾏测量，波函数塌缩了，这时B处的状态的确发⽣了变化，但由于它本⾝并不处在⼀个测量⾏为中（否则波函数之前就塌缩了），因此在B处不可能实时得知这个变化，只有通过打电话之类的经典⾏为，A处的⼈⾄少得告诉B处的⼈已经做过测量了，B处的⼈再来进⾏测量，才有可能能得知A处传过来的信息具体是什么。

所以量⼦通信真正的优势不是超光速，⽽是其保密性。理论上信息传递过程中是绝对安全的，敌⼈最多可以破坏通信，但是绝对⽆法截获通信内容。