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光纤传输量子通信(量子通信介绍)


        想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉。严肃地说,想象力是科学研究中的实在因素。—爱因斯坦(A.Einstein)

一、 量子通信概述

量子通信
        量子通信是由量子态携带信息的通信,它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信。追溯量子通信的起源,还得从爱因斯坦的量子纠缠——纠缠态粒子之间的相互影响说起,几十年来,物理学家一直试图验证这种神奇特性是否真实。1982年,法国物理学家艾伦·爱斯派克特(Alain·Aspect)小组成功地完成了一项实验,证实了微观粒子——量子纠缠现象确实存在。实验证实了爱因斯坦的幽灵——任何两种物质之间,不管距离多远,都有可能相互影响,而不受四维时空的约束。
       在量子纠缠理论的基础上,1993年,美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信的概念。
       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中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。
        量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种绝对安全的新型通信方式,其核心就是通过量子密钥分发,实现相距遥远的通信双方共享绝对安全的鱼子密钥。所以,量子密钥分发的发展史几乎也就是量子通信的发展史。鱼子密钥分发需要将信息编码在单个光子的量子态上,但是在实际的量子密钥分发实验中,由于理想的单光子源技术尚不成熟,通常使用弱相干光源作为替代,这也导致保密性的降低。2005年,清华大学王向斌教授和多伦多大学Lo等人分别独立提出了可实用化的诱骗态方案,大大提升了基于弱相干光源的量子密钥分发的理论安全传输距离。随后,量子通信得到了飞速发展,并逐步迈入实用化的阶段。
        在已经成熟的经典光纤通信技术的支持下,基于光纤传输的量子通信发展尤为迅猛。光纤传输量子通信
        1993年,日内瓦大学Muller等人首次完成了基于偏振态编码的光纤量子密钥分发实验,传输距离为1km,随后在1995年将这个距离提高到了23km。诱骗态理论提出后,在2007年,中国科学技术大学潘建伟小组完成了100km光纤传输距离的诱骗态量子密钥分发实验。2010年,潘建伟小组实现了200km的光纤量子密钥分发实验。2015年,Korzh等人将传输距离刷新到307km,这是目前光纤信道分发量子密钥的最大传输距离。
        另一方面,随着光纤传输量子通信技术的成熟,实用化的光纤传输量子通信网络也逐渐发展起来,包括美国的DARPA量子通信网络、欧洲的SECOQC量子通信网络、瑞士的SwissQuantum量子通信网络和东京的Tokyo量子通信网络等。而中国科学技术大学潘建伟小组也分别在北京、济南和合肥建立了实用化的城域量子通信实验网,结合目前正在建设中的量子通信京沪干线,将在未来连接北京、济南、合肥和上海,实现可扩展的广域网光纤传输量子通信。

二、 量子通信系统

       量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式,是量子论和信息论相结合的新领域,主要涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。
       量子通信的基本思想是,将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经经典信道和量子信道传送给接收者,如图10.8.1所示。经典信息是发送者对原物质进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息;接收者在获得了这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅是原物质的量子态,而不是原物本身。
量子通信系统原理示意图
图10.8.1量子通信系统原理示意图
        在图10.8.1中,A端是量子传态的发送者,B端是量子传态的接收者。经典信道是指传送数据、声音粒子①的光纤信道或无线信道,传送的是经典信息。量子信道指的是处在量子纠缠状态的粒子对②、③,纠缠源把粒子②发给A端,把粒子③发给B端,它们之间传递的是量子信息。A端对手中的粒子①和粒子②进行测量,并将其测量结果作为经典信息通过经典信道立即通知B端,B端按A端的通知,变换为粒子①原来的状态,并制备在粒子③上,完成了量子信息由A到B的传送。
        量子通信与经典通信有以下特性:量子信息传递时无须预先知道接收方在哪里;量子信息传递过程不会被任何障碍所阻隔,因而,量子隐形传态是量子态的超空间传送;量子信息的传递速度取决于量子态的塌缩速度,而塌缩速度大大超过光速,因而,量子信息的传递速度是超光速的;原物信息的传递仍需经典信道,而经典信道上信息的传递速度不会超过光速,故原物信息的传递速度不会超过光速。