浅述量子通信及其系统模型.docx

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浅述量子通信及其系统模型

浅述量子通信及其系统模型

摘要：

量子通信是由经典通信和量子力学相结合产生的交叉学科,其无条件安全的特点,使它成为一种全新的安全通信技术,它在各个领域潜在的应用价值已受到高度重视,因此,量子通信的研究越来越成为人们关注的焦点。

本文涉及到了量子通信中所用到的量子力学中的基本内容，并且介绍了量子通信基本原理以及相应的量子通信系统。

并在文章的末尾处，对量子通信的发展前景做出了展望。

关键词：

量子通信；量子密钥；

Abstract:

quantumcommunicationisacrossdisciplinecombinedbyclassicalcommunicationandquantummechanicsandtheunconditionalsecurityfeaturesmakeitbecomeanewsecurecommunicationtechnology.Quantumcommunicationhasbeenpaidhighlyattentionbecaseofpotentialapplicationvalueinallareas,therefore,theresearchonquantumcommunicationhasbeenbecomingthefocusofattention.Thispaperinvolvesthebasiccontentofquantummechanicswhichisusedinquantumcommunication，andintroducesthequantumcommunicationanditssystemcompositionbriefly.Intheendofthispaper,itgivestheprospectinquantumcommunicationdevelopment.

Keywords:

quantumkey;Communicationsystem;

第一章量子通信的现状及历史[1][2][3]

为了安全传递信息，美国的科学家贝内特（Bennett）和加拿大的科学家布莱萨德（Brassard）于1984年第一次提出利用量子比特作为信息载体，通信双方先产生并安全分配量子密钥，然后用分配好的密钥，以"一次一密"方式实现安全通信。

这就是著名的BB84协议这种方法开创了量子密钥分发研究的先河。

1991年，英国牛津大学的Ekert提出了一种新的量子密钥分发方案"1。

这种方案是通过量子的纠缠态实现的。

其安全性由贝尔不等式来判断。

1992年Bennett对他提出BB-84方案进行了修改，提出了只用两个非正交态来实现但是效率减半的方案一B92协议，不可克隆定理为B92协议的安全性提供了保证。

1993年英国国防研究部在光纤中用相位编码的方法实现了BB84-QKD方案，光纤传输长度达到了10公里。

等到1995年，在光纤中的传输距离巳经达到了30公里。

1993年，美国科学家贝内特（Bennett）等6位科学家，提出了一种用纯量子的方法将一个粒子的量子态转移的另一个粒子上的办法，即量子的隐形传态（quantumteleportation）技术。

这种方法可以克服了量子信道对量子态的影响，保障了量子信息的安全性。

奥地利的安东，泽林格（A.Zeilinger）小组，于1997年，在实验室第一次以实验的形式实现了量子态隐形传输技术[53。

等到2004年，该小组已经把量子隐形传态的距离提高到了600米。

2002年，德国和英国研究机构成功利用激光在相距23.4km的两座山峰之间传输光子密钥，i正实了通过近地卫星传送量子密钥的可能性。

2004年，美国BNN公司在马萨诸塞州剑桥城建立了世界首个量子密码通信网络并投人运行；同年，中国科学技术大学的潘建伟小组在国际上率先实现了五粒子纠缠态的制备，并利用五光子纠缠源成功地完成了的量子态隐形传输，首次实现了实时语音量子保密通信。

使得在城市范围的建立量子安全通信网络的设想成为现实。

随着量子技术的发展，绝对安全的移动通信、互联网将会在人们的生活中被广泛运用。

同年，郭光灿研究小组成功实现125km光纤点对点的量子密钥分配。

2007年，潘建伟小组在世界上首次实现了超过100千米的光纤量子通信实验。

此次实验是基于诱骗态的。

2008年，欧盟组建的7节点保密通信演示验证网络试运行成功。

同年，中国科学技术大学潘建伟小组在合肥市组建了首个光量子信息网。

2009年，潘建伟小组实现基于光开关的主动式线路切换技术，在合肥建成世界首个可自由扩充的全同型量子通信网络，并利用超导单光子探策器将安全通信距离提高到200千米。

郭光灿小组在安徽芜湖建成"量子政务网"，并投入试运行。

首期建成的芜湖"量子政务网"连接了主要市政机关单位以及芜湖市电信大楼等8个用户。

2010年山东省投巨资建设了量子通信试验网工程。

2011年在我国举办的"十一五"重大科技成果展上，有两项重要研究成果激起了人们对量子通信技术的兴趣与关注。

它们分别是"实验实现16公里自由空间量子隐形传态"和"光量子信息网"。

2012年8月9日的Nature上刊登了中国科学技术大学潘建伟、彭承志等人对量子态隐形传输的最新研究成果，他们在青海湖首次成功实现了百公里级的自由空间量子态隐形传输和双向纠缠分发[4]。

前景展望：

就目前情况来看，在全体科学工作者的努力下，在不久的未来便可制造出量子计算机，并建立全球范围内的量子通信系统，空间距离将不再成为通信的障碍。

并且保证传输的信息有绝对的安全性。

第二章量子通信基本理论

量子信息中引入了“量子比特”[5]的概念，在量子信息理论中，量子信息的基本单位是量子比特，英文名为quantumbit，简写为qubit。

从物理学上说，量子比特就是量子态，具有量子态的属性，因此有很多不同于经典比特的特征。

量子比特目前还没有一个明确的定义，其描述是要根据具体的物理特性来描述的。

现有的经典信息以比特作为信息单元,从物理角度讲,比特是一个两态系统,它可以制备为两个可识别状态中的一个,如是或非,真或假,0或1。

电容器平板之间的电压可表示信息比特,有电荷代表1,无电荷代表0。

量子信息中引入了“量子比特”的概念，在量子信息理论中，量子信息的基本单位是量子比特，英文名为quantumbit，简写为qubit。

从物理学上说，量子比特就是量子态，具有量子态的属性，因此有很多不同于经典比特的特征。

量子比特目前还没有一个明确的定义，其描述是要根据具体的物理特性来描述的。

量子比特（quit），是两个逻辑态的叠加

.经典比特可以看成量子比特的特例（c0=0或c1=0）。

量子态来表示信息是量子信息的出发点,有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理,信息的演变遵从薛定谔方程,信息传输就是量子态在量子通道中的传送,信息处理（计算）是量子态的幺正变换,信息提取便是对量子系统实行量子测量。

一个qubit是一个双态量子系统，即两个线性独立的态，常记为：

|0>和|1>。

以这两个独立态为基矢，张成一个二维复矢量空间，即二维Hilbert空间。

其任意态矢Iψ>为一个二进制基本量子比特，以|0>和|1>为二维Hilbert空间的基矢。

在实验中，任何两态的量子系统都可以用来制备量子比特，作为量子态的载体，常见的有：

光子的正交偏振态、电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统的空间模式等。

光子：

|R>:

右圆极化偏振光，

|L>:

左圆极化偏振光。

自旋的粒子：

|0＞，|1＞

二能级原子：

|g＞，|e＞

n个qubit态：

张成一个2n的Hilbert空间，有2n个相互正交的态：

|i>，其中i是一个n位二进制数。

信息一旦量子化,量子力学的特性便成为量子信息的物理基础,其主要的有:

（1）量子纠缠:

N（大于1）个量子比特可以处于量子纠缠态,子系统的局域状态不是相互独立的,对于一个子系统的测量会获取另外子系统的状态。

（2）量子不可克隆:

量子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精确的复制,量子不可克隆定理和不确定性原理构成量子密码术的物理基础。

（3）量子叠加性和相干性:

量子比特可以处在两个本征态的叠加态上,在对量子比特的操作过程中,两态的叠加振幅可以互相干涉,这就是所谓的量子相干性。

第三章量子通信的基本原理与简单通信模型

3.1量子通信的基本原理

将信息的所有问题都用量子力学的理论来处理：

信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理是量子态的幺正变换，信息提取便是对量子系统实行量子测量。

量子隐形传态即用量子态作为信息载体，通过量子态传送完成大容量信息的传输，是一种脱离实物的“完全”的信息传送，能够实现原则上的完全保密[6]。

量子隐形传态和密集编码是量子通信中比较典型的两种方式,前者利用经典辅助的方法传送未知的量子态,而后者则是利用量子信道传送用经典比特表示的信息。

在科幻电影中,常常出现这样的场景:

一个神秘的人物在某处突然消失,而后却在异地莫名其妙地显现出来。

隐形传送（teleportation）一词即来源于此。

遗憾的是,在经典通信中,这种实现隐形传送的方法违背了量子力学的基本原理之一——不确定关系.因此长期以来,这只不过是一种科学幻想而已。

然而量子通信除了推广经典信息中的信源与信道等概念外,还引入了其特有的量子纠缠（quantumentanglement）,创造了量子隐形传态这样一个经典通信中不可思议的奇迹。

1993年,Bennett等六位科学家发表了一篇开创性文章,提出将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所获得,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。

如图3-1所示,假设发送者Alice欲将粒子1所处的未知量子态传送给接收者Bob,在此之前,两者之间共享由Einstein，Podolsky,Rosen提出的处于最大纠缠态的两个粒子组成的对。

Alice对粒子1和她拥有的EPR粒子2实施Bell基联合测量（BS）,测量的结果将出现在四种可能的量子态当中的任意一个,其几率为1/4,对应于Alice不同的测量结果,Bob的粒子3坍缩到相应的量子态上。

因此,当Alice经由经典通道将她的探测结果告Bob之后,他就可以选择适当的幺正变换U粒子3制备到精确复制态上（如图3-1）。

图3-1量子隐形传态原理图

量子隐形传态的特点是,仅仅是量子态被传送,但粒子3本身不被传送。

而在Alice测量之后,初态已被破坏,因此这个过程不是量子克隆。

近年来人们又将注意力转向传送一个未知的纠缠态,就此提出了一些理论方案。

在量子隐形传态中,实现了经典信息对量子信息的传输。

那么,我们是否可以利用量子信道来传送经典信息呢?

假设Alice和Bob共享处于纠缠态的一对粒子,从而建立量子通道。

Alice在四种可能的幺正变换中任选一种对其纠缠粒子A进行操作,这种作用实际上是将两个比特的经典信息进行编码。

其后,Alice将粒子A发送给Bob,Bob通过对两个粒子进行Bell基联合测量,即可确认Alice所做的变换,从而获得2个比特的信息,也就是说,仅仅通过传送一个粒子便能成功地传送2个比特的经典信息。

这就是所谓的“密集编码”（densecoding）。

3.2简单量子通信系统

量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。

如下图所示，该模型包括量子信源、编码器（量子态发生器）、信道（量子通道）、解码器（量子测量装置）和量子信宿几个主要部分。

当中：

量子信源是消息产生器；量子信宿是消息的接受者；量子编码器用于把消息变换成量子比特，用量子态作为消息的载体以传输量子信息；量子译码器用于把量子信息比特转换成消息；信道包括量子传输信道和辅助信道两个部分：

量子传输信道就是传输量子信号的通道，辅助信道是指除了传输信道和测量信道外的其他附加信道，如经典信道，图中虚线表示。

在量子信道可以单独使用，也可以与经典信道结合起来传输量子信息和经典信息；量子噪声是环境对量子信号影响的等效描述。

图3-2简单量子通信系统

在量子通信中，运算对象是量子比特序列，它们不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上，在基于纠缠光源的量子通信技术中，信息的载体是纠缠光子对，利用纠缠光子对的光子状态相互关联来实现量子通信。

第四章量子密钥与简单量子密钥通信系统

4.1量子密钥

广泛用于网络金融行业的保密通信系统是一种所谓的RSA公钥体系,它的安全性基于大数因式分解这样一类不易计算的单向函数,其原理如图4-1所示。

数学上虽然没有严格证明这种密钥不可破译,但现有的经典计算机几乎无法完成这种运算。

Short算法证明,采用量子计算机可以轻而易举地破译这种公钥体系。

也就是说,一旦量子计算领域获得重大突破,它所具有的特殊性能,将使现在的公钥体系彻底地“无密可保”。

图4-1保密通信原理图

另一方面,量子通信是目前科学界公认的惟一能实现绝对安全的通信方式,它利用量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理,通过公开信道建立密钥,当事人之外的第三方根本不可能破解其密码。

其最终目标是解决通信的绝对安全等经典通信所存在的一系列根本性问题。

目前,量子密码术的研究引起了人们的广泛兴趣,在理论和实验方面均取得了重要进展。

采用光纤传输线已实现48km的密钥传送,自由空间的量子密码实验也取得了很大进展。

量子密码术的实用化已经指日可待。

目前,量子密码的方案主要有以下几种:

（1）基于两种共轭基的四态方案,其代表为BB84协议[7]。

（2）基于两个非正交的两态方案,如BB92协议。

（3）基于量子纠缠的EPR粒子对方案,由Ekert于1991年提出,称为E91协议。

（4）基于正交态的密钥分配方案,其基础为正交态的不可克隆定理。

近年来,人们开始寻求一种严格证明量子密钥分配（QKD）的安全性的方法,起初的几种证明方法都不尽如人意,甚至需要用到量子计算机。

2000年,Preskill提出了一种简单的方案,巧妙地将纠缠纯化方案和量子纠错码（CSS码）结合起来,严格地证明了BB84方案的安全性。

量子密钥分配的第一个演示性实验由Bennett等人完成。

随后,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室,创造了目前光纤中量子密码通信距离的新纪录。

他们采用类似英国的实验装置,通过先进的电子手段,以B92方案成功地在长达48km的地下光缆中传送量子密钥。

自由空间中的QKD也不断地取得突破,现在达到的传输距离为115km。

在上述方案中,量子密钥是在两点之间传输、建立的,因而都是点对点的传输系统。

密钥分配想要实用化,就必须在网络中得以实现,能够进行一点对多点或者任意两点之间的密钥传递。

网络密钥传输有树状、环状、链式等多种结构,这里就其中树状结构网络做简要介绍。

树状结构网络可以用下面的示意图（图4-2）简单表示,其中S是发送端,而R1是其中的一个接收端,O代表光纤分束器。

尽管树状网中有很多接收端,但是由于量子密钥中的载体一般情况下都是单粒子态,因而他们既不能被分流也不能被克隆。

从发送端S发送的一个单粒子只能被其中的一个接收端接收,这相当于发送者S与这个接收端之间经历了一个点对点的密钥分配系统。

因此,在一系列的数据传输完成之后,各个单粒子态分别随机地被某个接受端接收,最终的效果相当于发送者S与n个接收者之间分别建立一套点对点的密钥传输系统,分别建立和分配了一组密钥序列。

建立的方式可以是现存方法中的任何一种。

图4-2量子密钥树状结构网络示意图

关于量子保密通信,依然存在很多问题需要解决,其中包括量子秘密共享、网络量子密码、身份认证、数字签名,以及最近提出的量子指纹等。

这些方案的优越性在理论上已经得到证实。

4.2简单量子密钥通信系统

包括量子信源、信道和量子信宿三个主要部分，其中信道包括量子传输信道、量子测量信道和辅助信道三个部分。

图4-3中的密钥信道是通信者之间最终将获得的密钥对应的信道，是量子密钥分配协议的最终目标，该信道不是量子密钥分发过程中的组成部分，图中用虚线表示。

辅助信道是指除了传输信道和测量信道外的其它附加信道，如经典信道，图中用虚线表示。

图4-3简单量子密钥通信系统图

通信中信宿收到的首先是消息，信息不等于消息，但包含在消息之中，因此，信息的特性常常通过消息来研究。

一般来说，信源就是信息的来源，不同的信源发出的消息不同。

若信源输出的是量子信号，这种信源称为量子信源。

对一个信源的认识通常需要对该信源的数学描述、信源的结构与性质以及信源编码等几个方面有清晰的了解。

在量子信源方面对这些问题的理解和研究还不深入，很多问题有待进一步研究。

参照经典信息理论，量子信源可定义为输出特定量子符号（消息）集的量子系综。

显然，一旦指定量子符号集，量子信源具有确定的数学结构，因而可以用一个确定的数学方式描述量子信源。

需要指出的是，量子信源不等于量子系综，因为量子系综包含了更多的物理属性，而量子信源只是量子系综物理属性的一个方面。

信道是量子密钥分配协议的重要部分。

图4-3中的信道部分包括量子传输信道、测量信道和辅助信道三个部分，其中，测量信道1和测量信道2分别由通信者Alice和Bob执行。

由于Alice通常知道所发送的量子比特串，方案中一般不需要测量信道1。

所谓量子传输信道就是量子信号的实际传输路线。

量子传输信道与经典信道类似，信道属性依赖于信道的输入和输出以及描述输入和输出之间关系的条件概率，因此，量子传输信道的数学描述形式与经典传输信道的数学描述一样。

但是，量子传输信道不同于经典传输信道，因为量子传输信道的特性受到量子物理学的约束，即信道受发射信号的量子物理特性的强烈约束，这是由量子物理中不同于经典物理的特性所导致的。

因此，即使是全同信道，若输入的量子比特不同，尽管其信道均无噪声，信道也可能会成为有噪声的信道，而Shannon理论中的传输信道是一般性的数学理论，与具体通信系统无关。

第五章量子通信的发展前景及发展方向

目前，量子通信的研究方向是：

l）进一步寻找实现多粒子的量子藕合态的方法和技术；2）利用目前可行的生物技术实现量子超光速通信，最近美国华盛顿大学有两个小组开始准备类似实验；3）对人脑的意识识别过程进行深入研究，进而发展更先进的意识识别模拟技术，并利用生物芯片技术，将人脑的意识识别功能集成于一块微小的生物芯片中，从而研究出真正的量子通信的产品[8].

另外，最近几年，美军正在实施世界上最大的量子计算机研究计划，开发以不加外力传输方式向战场和全球传输报文的能力，并取得一定进展，在实验室已经实现了以不加外力传输方式传输信息，实现了10km的量子传态，从目前情况来看，如果要求技术水平不高的话，估计只需5、10年时间便可制造出能快速以不加外力传输方式在全球范围内传输信息的量子通信系统[9]。

在全体科学工作者的努力下，量子通信理论和实践都得到了猛速的发展。

利用量子通信，空间距离将不再成为通信的障碍，人们可以在相距任意远的地方进行实时交谈；未来的超光速通信将完全一是个人化的、完全保密的、抗干扰的和绿色的通信；甚至可以将生物芯片植入人的大脑，真正实现人脑超光速通信.完全有理由相信，量子通信科学的明天会更加辉煌，人类从经典通信时代进人量子通信时代不再是一种梦想。

参考文献

[1]赵楠.自由空间量子通信信道的研究[D].西安电子科技大学，2009

[2]宋海刚,谢崇波.量子通信实用化现状分析与探讨[J].中国基础科学.2011（03）

[3]张扬,廖进昆.量子密码通信技术研究进展[J].激光杂志.2012（04）

[4]邵博闻.量子密码技术的前沿跟踪与研究[D].西安电子科技大学,2007.

[5]杨伯君.量子通信基础[M].北京邮电大学出版社，2007

[6]量子态隐形传输[J].求是.2010（14）

[7]付剑楠.基于BB84协议和偏振编码的量子密钥分发研究与实现[D].西安电子科技大学,2010

[8]宋海刚,谢崇波.量子通信实用化现状分析与探讨[J].中国基础科学.2011（03）

[9]詹源源.量子通信技术的发展动态及应用[J].科协论坛（下半月）.2011（02）

[10]科学家预计10年内有望实现全球化量子通信[J].技术与市场.2011（02）