量子通信技术

1量子通信技术学院：信息学院专业：通信工程学号：20131060189学生姓名：欧阳倩指导老师：常俊、袁洪、马祖辉完成时间：2016年5月2摘要：量子通信作为近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域，也是是目前国际量子物理和信息科学的研究热点。本文从传统通信研究者的角度，回顾了量子理论及量子通信技术的发展概况；讨论了量子通信的定义和理想量子通信系统模型；分析了量子通信现在可以达到的通信能力；并基于现有技术水平和应用需求，提出了量子通信技术现实应用的设想和未来应用的展望。关键词：量子通信量子理论系统模型通信能力应用展望3Abstract:Asanewtypeofquantumcommunicationinterdisciplinarydevelopednearlytwodecades,itisanewresearchinthefieldofquantumtheoryandinformationtheorycombiningquantum,physicsalsoistheinternationalinformationandscientificresearchfocus.Fromtheperspectiveoftraditionalcommunicationsresearcher,reviewsthedevelopmentofquantumtheoryandquantumcommunicationtechnologybefore;discussesthedefinitionofanidealquantumcommunicationandquantumcommunicationsystemmodel;analysisofthecommunicationscapabilitiesofquantumcommunicationcannowbeachieved;andbasedonthepriorartlevelandapplicationrequirements,madetheprospectsenvisagedpracticalapplicationofquantumcommunicationtechnologiesandfutureapplications.Keywords:quantum；theoryofquantum；communicationsystemmodel；communicationcapabilitiesapplicationprospect4目录第一章引言............................................................................................5第二章量子通信介绍............................................................................52.1量子通信的发展概况.......................................................................52.1.1量子理论的建立............................................................................52.1.2量子通信的提出............................................................................52.1.3国内外量子通信的发展概况........................................................52.2量子通信的定义...............................................................................62.3理想量子通信系统模型...................................................................62.4量子通信的特点...............................................................................72.5量子通信的应用...............................................................................72.6量子通信技术未来展望...................................................................8第三章结束语........................................................................................9参考文献..................................................................................................10注释..........................................................................................................10致谢...........................................................................................................115第一章引言量子通信是一种具备无条件安全性的物理层安全解决方案，其技术现状、实用化水平和发展面临的瓶颈是业界关注的焦点。量子通信作为一个既古老又新鲜的话题，近年来频频出现于各类学术会议或期刊上。电视、广播、报刊等媒体常见关于国内外研究机构实现量子通信技术重大突破的报道。“最近的16公里量子态隐形传输的成功试验表明，中国将有能力建立起卫星与地面的安全量子通信网络。”—来自美国《时代周刊》的“爆炸性新闻”栏目以“中国量子科学的飞跃”为题,对2010年中国科技大学与清华大学合作完成的16公里量子态隐形传输试验进行了评论。以上事实说明，国家多项科学研究计划都已对量子通信展开研究，并已取得多项重大进展，有些方面已达世界领先水平。表示了量子通信已从基础研究逐步走向工程化研究阶段。那么相比于经典通信,量子通信究竟有哪些优势,有哪些应用,源于何种原理以及方法和技术手段等,无疑是大家所关心的。本文将介绍量子通信的基本概念与方法、技术模型,以及未来应用前景。第二章量子通信介绍2.1量子通信的发展概况2.1.1量子理论的建立1905年，Einstein引入光量子概念，成功解释了光电效应，并因此获得1921年度诺贝尔物理学奖。1913年，Bohr在卢瑟福原子模型基础上建立了原子的量子理论。1923年，发过物理学家deBroglie提出物质波的概念。1925年，德国物理学家Heisenberg建立了量子理论的第一种数学描述——矩阵力学。1926年，，薛定谔建立了描述量子波形特性的偏微分方程式，即著名的薛定谔方程①，给出了量子理论的第二种描述——波动力学。1927年，在意大利矩形的国际物理学讨论会上，Bohr作了关于量子力学的报告，被看作是量子力学的正式建立仪式[1]。2.1.2量子通信的提出1984年，来自IBM研究组的Bennett与加拿大蒙特立尔大学的Brassard一起提出了第一个实用性的量子密码通信协议—BB84协议。该协议实际上是一个通过量子信道产生和传送密钥的方案，如图)所示。量子信道的载体是单个光子，可以用其偏振状态（极化方向）、相位或者频率等物理量来携带量子密钥信息。由于量子信道的非理想化，还需要采用经典信道来配合进行量子态测量方法的协商和码序列的验证。假定窃听者在不被察觉的情况下无法窃听量子信道的信息，然而能够在不篡改数据的前提下窃听经典信道的信息，此时可以证明密钥传输的安全性。利用量子密钥对通信信息进行逐比特加密后在经典信道上传输，理论证明可以达成无条件安全通信（也称之为绝对安全通信）。1991年，牛津大学的Ekert提出了E91协议。第二年，Bennett提出用两个非正交态实现量子密码通信——B92协议[2]。6附图1基于BB84协议的量子密码通信系统2.1.3国内外量子通信发展概况国内外实验室研究和现场试验结果表明，目前量子通信理论和实现方法研究已取得突破性进展，量子通信技术已初步成熟。我国在量子通信技术方面整体上并不落后，在理论和实验两方面均走在了世界前列，在有些方面甚至处于世界领先地位。2.2量子通信的定义量子信息中引入了“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，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，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。，即可认为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不可克隆原理②和量子态的测量塌缩性质③等）或者利用量子态隐形传输④等量子系统特有属性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。2.3理想量子通信系统模型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[3]。7附图2简单量子通信系统2.4量子通信的特点量子通信与传统通信技术相比，具有如下主要特点和优势:具有极高的安全性和保密性，根据量子不可克隆定理，量子信息一经检测就会产生不可还原的改变，如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现，量子通信没有电磁辐射，第三方无法进行无线监听或探测；时效性高传输速度快，量子通信的线路时延近乎为零，量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍，并且量子信息传递的过程没有障碍，传输速度快；抗干扰性能强，量子通信中的信息传输不通过传统信道，与通信双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响，具有完好的抗干扰性能，同等条件下，获得可靠通信所需的信噪比比传统通信手段低30～40dB；传输能力强，量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔，量子隐形传态通信还能穿越大气层，既可在太空中通信，又可在海底通信，还可在光纤等介质中通信[4]。2.5量子通信的应用近年来，网络信息安全问题日益加剧了人们的忧虑和关注，随着量子计算技术的快速发展，传统保密通信技术自身的安全性也将面临挑战。量子通信作为能够提供无条件安全性保证的信息安全解决方案受到世界各国政府、学术界和产业界的广泛关注。为了让量子通信从理论走到现实,从上世纪90年代开始,国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会和国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目