16量子通信

从世纪之争到量子通信原理主讲人：马红课件制作：许萍资料收集：马平从20世纪两朵乌云开始说起量子力学相对论量子力学抛弃了经典的因果关系，宣称人类并不能获得实在世界的确定的结果，它称自己只有由这次测量推测下一次测量的各种结果的分布几率，而拒绝对事物在两次测量之间的行为做出具体描述。相对论虽然推翻了牛顿的绝对时空观，却仍保留了严格的因果性和决定论。爱因斯坦深信，物理学规律是关于存在的规律，而不是一些可能性。第一回合：爱因斯坦首次发动攻击第5届索尔维会议—华山论剑欧内斯特—索尔维第一届索尔维会议第一回合：爱因斯坦首次发动攻击哥本哈根派，代表人物（波尔、海森堡波恩），他们对量子论的解释，展现了世界的随机性哥本哈根反对派，代表人物（爱因斯坦、德布罗意、薛定谔），他们反对哥本哈根解释，坚持经典理论中世界的确定性。实验派，代表人物（布拉格、康普顿），他们只关心实验结果。第一回合：爱因斯坦首次发动攻击模型:一个电子通过一个小孔得到衍射图像观点1：这里没有一个电子，只有一团电子云观点2：的确只有一个电子，波函数是“几率分布”。第一回合：爱因斯坦首次发动攻击反对观点2:感应屏的许多区域同时对电子观测作出反应。而这似乎暗示一种超距作用，从而违背相对论。第二回合：“光盒子”无功而返这只钟能在某一时刻将小洞打开，放出一个光子来。这样，它跑出的时间就可精确地测量出来了。同时，小盒悬挂在弹簧秤上,小盒所减少的质量，也即光子的质量便可测得，然后利用质能关系便可得到能量的损失。这样，时间和能量都同时测准实验装置挡板和洞口辐射物质机械钟第六届索尔维会议•波尔回应：光子跑出，挂在弹簧秤上的小盒质量变轻即会上移，而“以彼之道还施彼身”，根据广义相对论，如果时钟沿重力方向发生位移，它的快慢会发生变化，这样的话，那个小盒上机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而有所改变。换言之，用这种装置来测定光子能量，就不能够控制光子逸出的时刻———回到了测不准关系。第二回合：“光盒子”无功而返这。。。可真是气死小爱同学了！但是我们伟大的科学家小爱就是不屈不挠，不过，很快，第三回合开始了（认真脸）。第三回合：EPR佯谬影响深远•1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出了一个思想实验，后人用他们的姓名首字母称为EPR实验。第三回合：EPR佯谬影响深远如果有一个基本粒子在空中飞着，突然被某种外力一分为二分裂成A和B两个更小的粒子。A和B这两个粒子就相互分离，越飞越远，当它们分开得足够远时候，我们来观察A粒子的“自旋”。第三回合：EPR佯谬影响深远请问B粒子是怎么知道自己要“右旋”的？难道它们之间有心灵感应？EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠量子纠缠：量子力学中最神秘的就是叠加态，而“量子纠缠”就是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，可以用一个量子比特来表示，同时另一个粒子B也可以处于叠加态。当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，即纠缠态。例如有一种纠缠态就是无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠1、量子力学是正确的，它背后不存在隐变量理论。2、量子力学不符合局域实在论，EPR佯谬恰恰反映了量子力学本质上的非局域性。EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特（AlainAspect）和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”（quantumentanglement）的现象确实存在。量子通信的发展史1948年，美国工程师香农（C.E.Shannon）创立了信息论，标志着信息学成为一门独立的学科而发展起来。经典物理学的统治地位已被量子物理学取代一样，建立在经典物理学基础上的经典信息学最终会被建立在量子力学基础上的新信息学——量子信息学所取代。而由EPR所引出的“纠缠态”概念，正是整个量子信息学的基础。量子通信发展史•1984年BennettBrassard提出量子密钥分发的BB84协议•1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信（QuantumTeleportation）的概念•量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。•1993年，在贝内特提出量子通信概念以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处，这就是量子通信最初的基本方案。量子通信的发展史•1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。•量子通信的发展史•2009年9月，潘建伟的科研团队在3节点链状光量子电话网的基础上，建成了世界上首个全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信。•中国科学技术大学教授潘建伟、彭承志、陈宇翱等人，与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合团队，于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。•2016年，首颗量子卫星升空量子通信的发展史•量子信息过程遵从量子力学原理，于是可实现经典信息无法做到的新信息功能。•如:量子密码量子通信网络量子计算等等。特性：1、测不准原理2、量子不可克隆原理3、单个光子不可再分量子和量子信息•以比特(0或1)作为信息单元,称为经典信息。01011101001011101100001101111000001100……•以量子比特作为信息单元,称为量子信息。何为“量子信息”？•比特（bite）是经典计算和经典信息的基本概念，经典信息的基本单元。•比特：0或1，•量子比特：•等效表示：11022，10或为计算基态和称1012sin02cosie①量子比特•两个量子比特•两个经典量子比特，有4种可能状态：•两个量子比特有4个计算基态：•两个量子比特可以表示为：•归一化条件11,10,01,0011100100，，，111001001110010011,10,01,00,121,02xxx1021,02或符取的字符串集合，每个字代表长为②多量子比特•以单光子作为信息物理载体为例:•经典信息：有光子代表“1”，无光子代表“0”量子比特和比特区别？•量子信息：以光子的量子态表征信息•如约定光子偏振态，圆偏振代表“1”，线偏振代表“0”（每个脉冲均有一个光子）。量子比特和比特区别？量子通信分成了两部分：就是量子隐形传送和量子密码通信。其中量子隐形传送是依靠纠缠态解决了被窃听问题，即被窃听则纠缠态失效；量子密码通信则是通过大量传送真假信息过去，使用概率论的方法提取信息，如果窃听者进行了监听则会导致错误率增大，接受方发现这一点而停止传送数据。量子通信基本原理量子密码发方：随机选择一个信息嵌入方式，将随机的0或1编入光子的量子态，发给收方；收方：随机选择一个信息读取方式读出光子携带的0或1；收方：告诉发方每个光子的读取方式；发方：告诉收方那些光子的读取方式是对的;双方：将信息嵌入方式和信息读取方式一致的那些比特作为密钥。•将未知量子态（量子比特）传送到远处而不传送量子态的物理载体。•Alice和Bob各自拥有EPR对的一个纠缠粒子。•Alice将测量结果传送给Bob•Bob依据Alice的信息对他手中的EPR粒子对做相应的操作，便可恢复原始的量子态。中的一个个可能经典结果量子测量，获得行粒子和她的纠缠粒子进11,10,01,004对处于未知量子态Alice量子隐形传态参考文献•[1]第一次量子隐形传态：D.Bouwmeester,J.W.Pan,K.Mattle,M.Eibl,H.Weinfurter,andA.Zeilinger,Experimentalquantumteleportation,Nature390(6660),575-579(1997).•参考资料：•[2]百度百科：量子通信。•[3]知乎：量子通信。•[4]《宇宙的琴弦》•[5]完全贝尔测量•[6]基于BB84协议的量子密码通信的研究与实现，布莱恩．格林。•[7]科学松鼠会：走近量子纠缠。•[8]张永德《量子信息物理原理》M