量子通信技术的应用

量子通信技术的应用

量子通信（Quantum Teleportation）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。量子是不可分的最小能量单位，“光量子”即为光的最小能量单位。在量子世界中，存在着一种“纠缠”效应，所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。这种“纠缠”效应能够在两个完全相同的某量子态粒子之间建立某种联系，当其中一个的状态发生变化时，另一个也会发生相同的变化，而且这种变化与时间和空间无关。另外由于对粒子的任何测量都会导致其量子态的变化，所以同时这种变化时不可能被第三者所知获的。利用量子的纠缠效应，我们可以进行绝密和瞬时的通信。

具有两个偏振方向的光子可以认为是一个双态系统。这两个状态可以分别对应目前使用的数据通信中的“0”和“1”。这里以一个简单的双态系统为例，对于处于纠缠态的两个粒子，一旦对其中一个粒子进行测量，确定了它的状态，那么就可以立即获得另一个粒子所处的状态，这一特性称为量子隐形传态。要想实现量子通信，首先需要通信终端共享成对缠结在一起的相同粒子(即纠缠粒子对)，然后对量子态进行信息处理，只要一个粒子的量子态变化，必然影响到另一个与之处于纠缠态的粒子。量子态是信息的载体，只要完成对粒子的量子态的操纵，就可以实现量子信息的传输。

量子通信是通信技术上的又一次划时代革命，具有广泛的应用前景。首先，量子通信可以满足空间远距离、大容量、易组网等方面的要求，量子通信可以用来构筑高速、大容量的通信网络，实现高清晰度图像等大容量超高速数据的传输，为建立量子因特网奠定了坚实的基础。量子通信的传输速率理论上可以与粒子的震动频率相等，这意味着其传输速率可以达到万亿Gbit/s，这对于解决目前的通信带宽瓶颈有着重要的意义。在经典信息论中，传输速率和带宽需要满足香农公式，而信噪比不可能达到无限大，故而传输的速率一定会受到带宽的制约。量子通信突破了香农公式的制约，将带宽和传输速率提高到无限。

其次量子通信可以实现完全保密通信，这使得量子通信在军事、国防、国民经济建设等领域都有重要作用。在目前的通信模式中，就连保密性最高的光纤通信，也存在被窃听的可能性。由于量子纠缠效应严格的应用条件，任何窃听的尝

试都将导致信息的改变，窃听者获得信息必定不同于原传输的信息，这就保证了传输的信息不可能被第三者非法获取。现在已经有人提出了利用量子通信理论进行密钥的分发，能够完全消除被破获的可能。

最后，由于量子通信时延为零，可以实现超光速通信，量子通信的发展必将加速人们探索宇宙空间的进程。在地球的通信中，光速可以基本满足传输的实时性。但是在星际探索中，如月球探索，信息的一个往返时延达到了2秒，这增加了姿态控制等命令下达的难度，并带来了一定的不确定性。假如量子通信能够应用到宇宙探索领域，由于量子通信对距离的不敏感性，飞行器采集的数据可以实时高速传送到地面段，地面段发送的信息也可以瞬间传达到深空飞行器，甚至能像操纵遥控飞机那样操纵飞行器在许多光年外的空间进行探索。

量子通信具有如此多的优点，但是其实际应用仍停留在理论探索阶段。首先，纠缠效应要求一个粒子是另外一个的完美复制。在现有的实验条件下，制备完全相同的粒子仍然是不可实现的，获得大量能产生纠缠效应的粒子集群难度更大。其次，对于粒子量子态的测量会破坏原有粒子的量子态，一但量子态遭到了破坏，信息的传输就失去了意义。

值得欣喜的是，目前我国在量子通信领域已经取得了一定的进展。我国已经建成了从八达岭到河北张家口市怀来县长达16公里的自由空间量子信道。2010年的6月，在八达岭实验室，一个量子态消失后，在并没有经过任何载体的情况下，瞬间出现在了16公里以外。量子通信又一次被证明是可以实现的，同时打破了量子通信传输距离的世界记录。