量子通信

量子线路
量子线路或沿用古典称呼而称作量子电路，是在抽象概念 下，对于量子信息储存单元进行操作的线路。组成包括了 于量子资讯储存单元、线路，以及各种逻辑门；最后常需 要量子测量将结果读取出来。 量子线路与经典线路有所不同： 第一：量子线路不允许出线回路，即从线路的一部分到另 一部分的反馈。 第二：量子线路不允许有扇入操作，即连线汇合。这是由 于量子线路是可逆的。 第三：量子线路不允许有扇出操作，即产生一个比特的多 个 拷贝。
量子比特逻辑门
量子比特逻辑门是对量子比特的最基本的幺正操作。 常用的量子比特逻辑门是量子非门。量子非门的作用是把状态 转化为 1 0 0 1 量子非门可以用矩阵形式表示： 1 0 1 1 1 Hadamard门也是一个常用的逻辑门矩阵表示为：
2 1 - 1
量子信号的最佳检测
量子信息是不可访问的，要获得可访问的量子信息就必须测量量子比 特，也就是用户必须获得量子比特携带的经典信息，在测量过程中会 产生量子噪声，这就需要对量子信号进行检测。 最佳检测方法有量子二元假设检验、量子信号最小均方误差测量。 当我们需要在两种假设之间作出选择时，往往导致所谓的二元假设检 验问题。由于未知的非正交量子信息比特无法克隆，量子测量会破坏 原来的量子态，这就使得二元假设检验与经典统计中的而元假设检验 有所差别。
量子比特错误类型
比特翻转错误：
0 0 1 0
相位错误：
0 0 0 - 1
比特翻转错误+相位错误：
0 0 1 - 0
三者都可以用矩阵算子分别表示：
0 1 1 0
1 0 0 -1
0 1
- 1 0
0 1
多量子比特门常用的是受控非门，这个门有两个输入比特，分别是控 制比特和目标比特。其作用是：若控制量子比特置为0时，目标量子 比特保持不变；若控制量子比特置为1时，目标量子比特翻转。 受控非门和单量子比特门是所有量子比特门的原型。
密度算子
密度算子用来你描述量子系统，一般为矩阵型。 在量子力学中全部假设都可以以密度算子的语言重新描述。
量子通信信道
对于量子信道特性与寻找的量子纠错编码方法来说，立即诶信道中产 生的错误类型是极为关键的。
量子信息在信道中总是处在一定的环境中，携带信息的量子客体，不 可避免的会与环境发生相互作用，两者发生量子纠缠，从而导致消相 干现象，使得传输的量子信息发生错误。
量子通信信道分为自发幅度变信道、退极化信道、相位阻尼信道三种。 自发幅度变信道是自发幅度引起消相干；退极化信道是发生退极化产 生消相干；相位阻尼信道是由于相位阻尼产生消相干。
量子并行计算
量子计算最重要的优越性体现在量子并行计算上，由于量子比特的叠 加性质，使得量子计算可以一次同时计算函数在变量在多处值的值。
例如，一个2位经典寄存器可以编码4个不同的数字：00，01,10,11. 但每一时刻智能存储其中的一个。而一个2位的量子寄存器利用量子 的叠加效应没在一个给定的时刻可以同时存储4个数字，且一个量子 态可以代表所有存储的数字。
量子通信系统
量子通信传输模型分为：基于量子隐形传态的通信系统 模型和量子直接传输模型两种。 量子通信模型由量子信源、量子信宿、量子编码器、量 子译码器、信道、量子噪声组成。 实现量子通信需要解决量子信号的产生编码、传输、检 测以及现代通信系统融合性等技术。
基于量子隐形传态的通信模型
基于量子隐形传态的通信系统模型是由量子信源编码器、量子纠错编码器、 量子调制器、有噪声的量子信道、量子解调器、同步模块、量子信道译码器、 量子信源译码器组成。 发送方：量子信源编码器以尽可能少的量子比特来表示输入符号，量子纠错 编码器通过引入冗余量子比特，建立量子比特的校验关系，实现提供抗噪性 能，再通过量子调制器将携带的量子信息的量子信号的特性与信道特性匹配， 在传送量子信息时，发送EPR光子对中的一个光子，发送方需要测量量子比 特的信息将测量的结果表示成景点信息，通过经典通信系统传送到接收方。 接收方：第一步操作是量子解调接收方利用发送方的传来的测量结果信息对 持有的EPR对中量子客体进行量子操作，通过同步模块的作用，确定相应的 EPR对，将解调后的量子信息输入到量子信道译码器以消除量子信道中量子 噪声对量子信号的影响得到发送方所传输德尔量子比特，将量子比特输入量 子信源译码器中得到原来的信息。
量子比特的物理性质（一）
叠加性
一量子比特为： ∣φ〉=α∣0〉+β∣1〉 在上述量子比特是∣0〉态和∣1〉态的叠加。
量子比特物理性质（二）
量子测不准性
它是指由于量子比特的叠加性，要获得关于量子比特的最终结果必须测量该 量子比特。而在测量中，量子的测量与测量基的选取有关，不同的测量基测 量结果是不一样的，因此无法精确测定量子比特。 量子测不准性是由量子力学的不确定性原理所决定的。 不确定性原理是指两个互补的物理量，不可同时被精确测量。 量子测不准性在量子通信中起着重要的基础作用。
量子通信
请看下面一则消息：
2010年6月1日，在世界顶级科学刊物《自然》杂志的 子刊《自然 光子学》以封面论文的形式刊登了一项成果：一 个量子态在八达岭消失后，并没有经过任何载体的情况下， 瞬时出现在了16公里以外的河北省张家口怀来县。 这就意味着我们所说的“超时空穿越”可以实现了！ 多么神奇!上面现象是怎么实现的呢？这就量子通信与量 子隐形传态的魅力！
什么是量子通信？
量子通信就是利用量子纠缠效应进行信息 传递的一种新型的通信方式 ，他是基于量 子力学和经典信息论的交叉科学。它是以 量子态作为信息单元来实现信息的有效传 递。
什么又是量子的隐形传态呢？
一个神秘人物在某处突然消失掉而后却在远处莫名地显现出来们这是不少科 幻影片中常常出现的场景。隐形传态一次即来源于此。 在量子通信中，量子隐形传态就是经由经典通道和EPR （纠缠态对）通道传 送未知量子态 。 通俗的说就是一对纠缠光子就好像是一对“心有灵犀”的骰子，甲乙两人身 处异地，分别各拿其中一个骰子看，甲随意的投掷一下是5点，与此同时，乙 手中的骰子也自动回翻转到5点。 量子隐形传态中未知量子态的信息分为经典信息和量子信息两部分，分别由 经典信道和量子信道传送给接受者，经典信息是发送者对原物进行某种测量 得到的，量子信息时发送者未提取的其余信息，接受者在获得这两种信息后， 就可以制造出原物的完美复制品。
量子比特的物理特性（三）
量子不可克隆性
所谓的量子克隆是指一个量子比特为基础精确地翻版出另一个与该量子比 特完全相同的新的量子比特，同时不损坏原来的量子比特。 量子不可克隆定理包括一下三个方面的内容： 1、不存在任何物理过程，能做到两个不同的非正交态的完全拷贝； 2、量子系统的任意未知量子态不能完全拷贝； 3、要从编码在非正交量子态中获得消息，这些台不遭受破坏是不可能的。 需要指出的是量子的复制和克隆是两个完全不同的概念。克隆是指获取与 最初量子比特完全相同的量子比特的过程，最后得到的量子比特是与最初 量子比特精确的翻版；而复制是指对量子比特无限的逼真过程，得到的结 果只能是最初量子比特的近似值而不是精确值。 量子不可克隆性是量子密码学的重要前提，确保了量子密码的安全性，使 得窃听者不可能采用克隆技术来获得合法用户的信息。
量子直接传输模型
Ping-pong协议时直接传输模型中一个重要信息传输协议，没传输一 个量子位可以传输一个比特经典信息。Ping-pong协议实现的技术设 计BELL态产生、光量子态存储、对光子的编码。 直接传输模型的过程：Bob准备处于最大纠缠态的一对粒子，这里是 指光子，将一个光子作为home qubit，另一个qubit作为travel qubit发 送给Alice，Alice根据要传输的经典信息比特选择编码操作，如果为1 对travel qubit进行测量师纠缠态变为另一纠缠态，如果是0就不作任 何操作，然后Alice将travel qubit发回给Bob，Bob可以通过局域Bell测 量两粒子确定纠缠态是处于哪个态，从而确定Alice编码是1还是0，这 样就实现了量子信道传输1bit的经典信息。
量子通信编码
量子通信编码把消息转换为量子比特，用量子比特作为信息的载体以传输量 子信息。 在量子信心理论与技术中，信息的表示与传输离不开编码，量子编码分为量 子信源编码与量子信道编码。与经典情形不同，一个量子比特指的是一个双 态量子系统。 经典通信中的无失真数据压缩不能直接推广到量子系统中以为对可变码长进 行长度测量会引起码字损坏。 量子信道编码面临着如下基本困难： (1)由于量子太不可克隆性使得我们无法轻易引入信息冗余; (2)量子测量会引起态坍塌，破坏量子相干性； (3)量子错误种类数为连续量，量子纠错码保护对象是信号子空间。 QECC纠错码方案解决了上述三个困难，在QECC的发展经历了两比特编码、 5比特编码、9比特编码、量子卷积码、量子Reed-Muller码、量子稀疏图码。 QECC思路是： （1）通过编码为纠缠态，既引入信息冗余，又不违背量子不可克隆性； （2）通过编码可以使得不同的量子比特错误对应道不同的正交子空间，局域 测量把量子态投影到某一正交子空间，然后再此空间上找出错误图样； （3）借助于Hamilton四元数系的Pauil算子实现。可方便地描述量子错误。
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。
量子比特
量子比特是量子通信传输信息的基本单位。 与经典信息论中的比特描述信号可能状态的特征，量子信 息中引入了量子比特的概念，从物理意义上说量子比特就 是量子态。 量子比特的可表示为：
∣φ〉=α∣0〉+β∣1〉
公式中的α、β为复数。该式从物理意义上说，量子比特 既可能处于∣0〉态，也可能处于∣1〉态，同时还可能处 于这两个态的叠加态∣φ〉=α∣0〉+β∣1〉。但是在测量 之前观测者无法确切知道该量子比特处于哪一具体的状态， 唯一能获取的信息是知道处于∣0〉态的概率为 | α |2 处于∣1〉态的概率为|β|2