浅谈基于连续变量的量子通信

浅谈基于连续变量的量子通信

【摘要】量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物，这一新兴学科揭示了量子力学在信息科学中的应用，近年来连续变量的量子通信应用发展迅速，本文就基于连续变量的量子通信的发展做一简述。【摘要】量子通信；连续变量；研究概况

1 量子通信的研究

量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物，这一新兴学科揭示了量子力学在信息科学中的应用，涉及了量子物理学、信息科学和计算机学等多种学科，其潜在的应用价值和重大的科学意义，为信息科学展示出美好的前景。量子通信是量子信息学的一个重要分支，其理论是基于量子力学和经典通信，即量子通信是量子力学和经典通信相结合的产物。对量子通信的研究是为了实现人们能够通过量子信道传递经典或量子信息，并确保所传输的信息绝对安全的愿望早在1969年，哥伦比亚大学的年轻学者Wiesner.S.就提出了采用量子物理的方法来保护信息安全的想法，但由于技术手段实现的困难，使得他的想法只是一个不太现实的设想。10年后的1979年，IBM公司的研究人员Bennett.C.H和加拿大蒙特利尔大学的研究人员Brassard.G认真研究了Wiesne.S.的观点，认为可以将Wiesne.S.的设想用于传输信息。两人在1984年提出了著名的量子米要分法（QuantumKeyDistribution，Q.K.D）的概念，以及第一个量子密钥分发协议（BB84协议）[1]，由此，迎来了量子密码学的新时期，同时标志着量子通信理论的诞生。

2 基于连续变量的量子通信

量子通信与量子计算是量子信息的两大主要研究领域，都是最近20多年才发展起来的新型交叉学科。量子通信是量子论与信息论相结合的产物，因而也是通信与信息领域研究的热点前沿。其主要研究领域包括量子密码术、量子远程传态、量子密集编码。其中量子密码术由包括量子密钥分配、量子秘密共享、量子认证、量子安全直接通信、量子比特承诺等。按量子通信的载体来分，可分为基于分立变量的量子通信和基于连续变量的量子通信两大类。在量子通信的较早阶段，人们研究的多是基于分立变量的量子通信，这时通常是以单粒子或纠缠粒子的分立量子态作为信息的载体。目前正在广泛而深入地开展连续变量量子通信的研究，以克服单光子通信中存在的问题。对于主要以单光子或纠缠光子对作为信息的载体的分立变量的量子通信来说，其具体的物理实现存在着一系列难题制约着量子通信的有效性与安全性。一是，尚缺乏理想高效的单光子源，因而会带来信息的泄漏；二是，单光子的传输距离有限，目前在可接受的误码率下能传输的最远距离约为150Km；三是，目前的单光子探测器，其探测效率约为10%-20%，其“Geiger”工作方式决定了其工作频率很难超过MHz的良机。这些难题的存在促使人们去研究新的实现方式，特别是应用于量子通信领域中最有可能实用化的量子密要分配中。对于目前已有急于想干态、压缩态和纠缠态为基础的很多种量子密钥分配协议[2]，其安全性也得到了很好的证明[3]。这些协议编码所用的变量时刻连续取值的坐标、动量、振幅以及相位等。因为这些编码变量是连续变化的，通常称为连续变量量子密钥分配协议。连续变量量子密钥分配所需光源发射频率高：使用多光子光源，信号较强，适合远距离的密钥传输：不需要复杂的单光子探测器而且采用零拍探测测量光强，通常在室温提条件下进行，而且几乎不

受普通背景光噪声三影响，测量频率可达数GHz，l量子效率高达99%，克服了单光子探测器探测效率低的弊端，可大幅度提升码率。因此连续变量量子密要分配将有可能取代基于粒子的分立量子态密钥分配。

目前已有的理论和实验证明，采用压缩态和纠缠态相对于采用相干态，能提供更好的安全性Hillery于2000年最早提出采用压缩态作为连续变量量子通信的光源。Gottesman则于2001年在理论上证明当量子通信道的噪音较弱只要压速率在2.51dB以上，就可以保证量子通信道的绝对安全性。对于非压缩的相干态，目前还没有无条件安全通信的理论证明。2002年，澳大利亚Macquarie大学的T.Tyc和B.C.Sanders首先提出了基于连续变量量子比特秘密共享体制的量子（m.n）门限方案[4]。2005年M.L.Andrew等人通过实验演示了基于三体纠缠的量子密码共享的方案还正在研究中，相对于量子密钥分配而言，还远未完善，其主要问题可能在于进行多方量子秘密共享必须多体纠缠，而多体纠缠的产生及保护还存在再技术方面的问题

3 我国科学家的贡献

中国科学家在长距离量子通信方面取得重大进展，与一位传奇人物——中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室的潘建伟教授分不开。现年39岁的潘建伟，曾在奥地利维也纳大学攻读博士学位，后留校从事研究工作。1997年12月，潘建伟与奥地利物理学家安东尼？赛林格等人合作，首次实现了“量子态的隐形传输”，该成果被誉为“量子信息实验领域的突破性进展”，欧洲物理学会将其评为世界物理学的该年度十大进展，美国《科学》杂志将其列为该年度全球十大科技进展。1999年，该研究的论文同德国物理学家伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等重大研究成果一起，被英国《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。2004年，与潘建伟合作过的奥地利物理学家安东尼·赛林格，在一次实验中使量子态隐形传输的距离达到600米，这被认为是迄今为止的世界纪录。

【参考文献】

[1]温巧燕，郭奋卓，朱甫臣.量子保密通信协议的设计与分析[M].北京：科学出版社，2009：1-17.

[2]He Guangqiang，Zhu Jun，Zeng Guihua. Quantum secure communication using continuous variable Einstein-Podolsky-Rosen correlations[J]. Phys. Rev. A，73，2006. 012314-7

[3]Gottesman D，Preskill J，Secure quantum key distribution using squeezed states[J]. Phys. Rev. A，63，2001. 022309-18.

[4]Tumas Tyc，Sanders BC. How to share a continuous-variable quantum secret by optical interferometry[J]. Phys. Rev. A，65，2002. 042310-5.