量子通信原理及應(yīng)用前景

量子通信原理及應(yīng)用前景

簡(jiǎn)介無線通信小班探討物聯(lián)工程1102胡標(biāo)傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信現(xiàn)在人們廣泛運(yùn)用著多種通信方式，這些通信技術(shù)為人類社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展供應(yīng)強(qiáng)大助力，可以說沒有這些通信方式就不會(huì)有今日人類社會(huì)的旺盛局面。但是在這些通信技術(shù)手段為人們帶來巨大幫助的時(shí)候，卻始終有一個(gè)問題難以得到有效解決，那就是通信中的保密問題。今日，人類已經(jīng)開發(fā)探討出了新的通信技術(shù)，量子通信技術(shù)，其在理論上是可以保證確定保密的通信技術(shù)手段。這也是今日我向大家講解介紹的內(nèi)容。傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信傳統(tǒng)的通信技術(shù)包括最原始的諸如烽火等依靠聲光傳播信息的手段，以及現(xiàn)代各種有線無線通信手段，如光纖，微波通信等等。除開信使與干脆會(huì)見這種效率極低下的通信方式外，其余全部的通信方式都無法真正避開通信內(nèi)容在通信雙方不知情的狀況下被竊聽者獲得。實(shí)際中人們利用加密的方式傳送信息，發(fā)送者通過密鑰將須要發(fā)送的信息轉(zhuǎn)化為密文，接收者再通過密鑰將密文轉(zhuǎn)化為可以干脆讀取的信息。傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信然而這種形式的信息傳送也并擔(dān)憂全。首先雙方須要安排密鑰，傳統(tǒng)的信息傳送方式除了效率極低的信使或會(huì)見外，都無法避開密鑰的泄露。而且?guī)缀跞康拿艽a都存在被破解的可能，因而須要時(shí)常更換密碼。而現(xiàn)代商業(yè)或航天活動(dòng)中這明顯又面臨著密鑰泄露或密鑰難以甚至無法傳送的沖突。傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)商業(yè)上常用的是非對(duì)稱密鑰。發(fā)送方的密鑰是公開的，而接收方的密鑰則只有接收者知曉。該體制的平安性是基于大數(shù)因式分解這樣一類不易計(jì)算的單向函數(shù)。比如1977年,美國(guó)出了一道解密題,其解密須要將一個(gè)129位數(shù)分解成一個(gè)64位和一個(gè)65位素?cái)?shù)的乘積,估計(jì)用當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)須要用4×1016年。但是隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算實(shí)力的不斷發(fā)展，這樣的密碼機(jī)制變得越來越擔(dān)憂全。上面的那道解密題到了1994年,只用8個(gè)月就能解出。尤其是Shor量子算法證明,接受量子計(jì)算機(jī)可以輕而易舉地破譯這種公開密鑰體系。目前世界上只存在一種被證明無法破解的密碼，Vernam密碼體制，但是這事實(shí)上是一種一次性密碼，且密鑰長(zhǎng)度與密文長(zhǎng)度相等。這種密碼的實(shí)際運(yùn)用須要傳送的確定保密性。傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的計(jì)算實(shí)力的飛速發(fā)展，現(xiàn)在的常用密碼體制終究有一天會(huì)變得無密可言。解決現(xiàn)在的通信保密難題的途徑只有兩條，即確保通信內(nèi)容不被己方不知的狀況下被竊聽，或是運(yùn)用Vernam體制密碼。然而這些都是傳統(tǒng)的通信手段所無法做到的。但是，量子通信卻可以做到這些。目前，量子通信尚無嚴(yán)格的定義。物理上，量子通信可以被理解為在物理極限下，利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的高性能通信。信息學(xué)上，我們則認(rèn)為量子通信是利用量子力學(xué)的基本原理（如量子態(tài)不行克隆原理和量子態(tài)的測(cè)量塌縮性質(zhì)等）或者利用量子態(tài)隱形傳輸?shù)攘孔酉到y(tǒng)特有屬性，以及量子測(cè)量的方法來完成兩地之間的信息傳遞。量子通信原理簡(jiǎn)介量子通信的平安性源于量子力學(xué)的基本原理。一是不確定性原理，也稱測(cè)不準(zhǔn)原理，即不行能同時(shí)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)非對(duì)易的物理量，如量子的坐標(biāo)和動(dòng)量。二是測(cè)量塌縮原理，即對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量會(huì)不行避開地使該量子態(tài)塌縮到某一個(gè)本征態(tài)上，這意味著對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量都會(huì)留下痕跡。三是不行克隆定理，即一個(gè)未知的量子態(tài)是無法被精確克隆的。此外還有量子糾纏態(tài)，相互糾纏的兩個(gè)粒子無論被分別多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子狀態(tài)的變更都會(huì)馬上使得另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變更的現(xiàn)象量子通信原理簡(jiǎn)介量子隱形傳態(tài)所謂量子隱形傳態(tài)利用了糾纏態(tài)粒子之間的特殊“心靈感應(yīng)”，即不論相隔多遠(yuǎn)，只要兩個(gè)粒子仍舊保持著糾纏態(tài)，其中一個(gè)發(fā)生了變更，另一個(gè)確定發(fā)生相應(yīng)的變更。1993年，Bennett等來自四個(gè)國(guó)家的六位科學(xué)家演示了第一種量子隱形傳態(tài)方案，其過程如下Alice與Bob分別擁有一對(duì)糾纏粒子對(duì)2,3中的2與3.Alice要向Bob發(fā)送消息，Alice對(duì)某粒子1的當(dāng)前狀態(tài)未知，她將聯(lián)合測(cè)量粒子1與2。因?yàn)闇y(cè)量，所以粒子1與2發(fā)生了變更，由于2與3是糾纏態(tài)粒子，于是3也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變更。Alice通過經(jīng)典信道將測(cè)量結(jié)果告知Bob，Bob對(duì)3進(jìn)行一系列操作將能得到粒子1的最初狀態(tài)。量子通信原理簡(jiǎn)介量子隱形傳態(tài)須要說明的是，Alice處的粒子1失去其測(cè)量前的狀態(tài)，而遠(yuǎn)在Bob處的某粒子則獲得了粒子1的初始狀態(tài)，該過程的凈結(jié)果是粒子1的狀態(tài)未進(jìn)過物質(zhì)傳遞，轉(zhuǎn)移到了Bob處。粒子2變更的同時(shí)粒子3也會(huì)發(fā)生變更，試驗(yàn)證明糾纏態(tài)粒子之間的反應(yīng)速度>107C，然而量子的隱形傳態(tài)須要經(jīng)典信道的協(xié)助傳送測(cè)量結(jié)果，其上的時(shí)間消耗與Bob處的操作時(shí)間確定了量子隱形傳態(tài)不行能超光速。量子通信原理簡(jiǎn)介概率隱形傳態(tài)在Bennett等人提出的標(biāo)準(zhǔn)量子隱形傳態(tài)方案中,接受最大糾纏態(tài)作為量子通道來傳送未知量子態(tài),隱形傳態(tài)的成功率必定會(huì)達(dá)到100%,但是在實(shí)際中由于量子態(tài)和四周環(huán)境的耦合是不行避開的,所以,作為量子通道的這些最大糾纏態(tài)在制備過程中會(huì)受到上述及其它因素的影響而很難得到,最終粒子對(duì)處于部分糾纏或非最大糾纏態(tài).因此,運(yùn)用部分糾纏態(tài)作為量子通道就具有很大的實(shí)際意義.當(dāng)以部分糾纏態(tài)作為量子通道時(shí)實(shí)現(xiàn)的是概率隱形傳態(tài)概率隱形傳態(tài)中須要引入一個(gè)協(xié)助粒子，其與粒子3一同操作。最終視察協(xié)助粒子的狀態(tài)，依據(jù)它的狀態(tài)推斷傳態(tài)是否成功。在量子隱形傳態(tài)中外界根本無法得到有用的信息，因?yàn)榱Ｗ?,3只在Alice與Bob手中，竊聽者從經(jīng)典信道中獲得了信息也完全無法推出有關(guān)粒子1的任何有用信息。即竊聽者無法獲得Alice與Bob之間傳遞的信息。量子通信原理簡(jiǎn)介量子通信原理簡(jiǎn)介量子密鑰安排前面說到除特別常更換的密碼或Vernam體制密碼，否則無法保證密鑰的平安。常常更換密碼則會(huì)在信道中泄露密鑰。量子密鑰安排正是通過確保密鑰在傳遞過程中的平安性實(shí)現(xiàn)徹底平安的通信。1984年，來自IBM探討組的Bennett與加拿大蒙特立爾高校的Brassard一起提出了第一個(gè)好用性的量子密碼通信協(xié)議一BB84協(xié)議1991年，牛津高校的Ekert提出了E91協(xié)議，即EPR協(xié)議。1992年，Bennett提出用兩個(gè)非正交態(tài)實(shí)現(xiàn)量子密碼通信—B92協(xié)議基于量子密鑰安排BB84協(xié)議的通信過程事實(shí)上分為兩步。第一步，安排密鑰。其次步，通過經(jīng)典信道進(jìn)行密文傳遞。量子通信原理簡(jiǎn)介Alice隨機(jī)的發(fā)送制備的單光子信號(hào),Bob接收到信號(hào)以后隨機(jī)的從兩組測(cè)量基中選擇一組進(jìn)行測(cè)量。假如雙方選取的測(cè)量基一樣，那么雙方約定記錄測(cè)量結(jié)果。假如雙方選取的測(cè)量基不一樣，那么雙方放棄測(cè)量結(jié)果。對(duì)于記錄的測(cè)量結(jié)果，雙方通過公開比對(duì)一部分結(jié)果，用來確定通信信道的平安性。假如信道平安，那么剩余的光子態(tài)可以作為編碼比特生成密鑰裸碼。因?yàn)楦`聽者EVE一旦測(cè)量Alice與Bob發(fā)送的單光子信號(hào)，該單光子的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變更，就會(huì)導(dǎo)致Bob與Alice發(fā)覺。EVE也無法精確復(fù)制發(fā)送的光子。所以EVE無法進(jìn)行有效的竊聽。密鑰的后處理過程包括量子糾錯(cuò)和量子保密放大過程。通過進(jìn)一步的處理，可以生成平安的量子密鑰。量子通信原理簡(jiǎn)介接下來的密文傳送就很簡(jiǎn)潔了，干脆運(yùn)用經(jīng)典信道傳送密文。即使被竊聽到了，也不會(huì)泄密，因?yàn)槊看蝹魉偷拿荑€都是不同的，竊聽者也完全無法得到有效的密鑰。這就保證了通信的確定保密性。量子通信原理簡(jiǎn)介竊聽者對(duì)接受弱相干光源的量子通信系統(tǒng)進(jìn)行光子數(shù)分別攻擊(Photon-Number-SplittingAttack)，即對(duì)于非單光子狀況，竊聽者截取攜帶有相同信息光子群中的部分光子，對(duì)于單光子狀況則不進(jìn)行操作。實(shí)行這樣的攻擊方式，在傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)(10km量級(jí))竊聽者的竊聽行動(dòng)所帶來的擾動(dòng)將會(huì)被環(huán)境擾動(dòng)所湮滅，即通信者無法察覺信道被竊聽，進(jìn)而通信擔(dān)憂全。為了解決弱相干光源量子通信系統(tǒng)存在的漏洞，2005年，我國(guó)學(xué)者王向斌和加拿大籍華人學(xué)者Hoi-KwongLo等人分別提出了基于誘騙態(tài)(Decoy-State)的量子密碼試驗(yàn)方案Cz3,zal，通過限制弱相干光源發(fā)送光子數(shù)密度隨機(jī)變更的光信號(hào)來判定信道是否被監(jiān)聽。理論上證明即使超過100km，其平安性與用志向單光子源所獲最終碼等價(jià)。量子通信原理簡(jiǎn)介量子平安干脆通信(Quantumsecuredirectcom-munication,QSDC)是一種不同于量子密鑰分發(fā)的新量子通信形式,與量子密鑰分發(fā)根本性區(qū)分在于量子平安干脆通信在量子信道中干脆傳遞隱私信息.量子平安干脆通信的平安性也是基于量子不行克隆原理、量子測(cè)不準(zhǔn)原理以及糾纏粒子的關(guān)聯(lián)性和非定域等.與量子密鑰分發(fā)的過程不同,量子平安干脆通信過程中,通信雙方不須要事先生成密鑰,而是通過干脆建立量子信道的方式進(jìn)行通信,從而將一般意義上的量子通信過程簡(jiǎn)化為一步量子通信過程,即干脆完成隱私信息的平安傳輸.

假設(shè)測(cè)量者測(cè)量光子的偏振方向時(shí)用對(duì)了測(cè)量?jī)x器,那么他將能精確得到光子的偏振方向,但假如用錯(cuò)了測(cè)量?jī)x器,那么他不但得到是錯(cuò)誤的偏振信息,還導(dǎo)致了光子原來信息的的丟失,這種破壞作用是不行逆轉(zhuǎn)的。有了測(cè)不準(zhǔn)原理作保證,就能檢測(cè)到量子信道中Eve是否進(jìn)行了竊聽。量子通信原理簡(jiǎn)介

(1)基于單光子信道的量子通信基于單光子信道的量子通信，在機(jī)理上與經(jīng)典通信相同的信息傳遞機(jī)制。信息載體:單光子;信息傳遞信道:光纖、自由空間光(FSO)等物理信道。特點(diǎn):具有經(jīng)典通信無法供應(yīng)的嚴(yán)格平安性。應(yīng)用方式:量子平安干脆通信(QSDCquantumsecuredirectcommunication);量子密鑰分發(fā)(QKDquantumkeydistribution);量子機(jī)密共享(QSSquantumsecretsharing)。(2)基于光子糾纏對(duì)的量子通信其機(jī)理是利用粒子糾纏特性而脫離實(shí)物的一種信息隱形傳遞機(jī)制。信息載體:糾纏光子對(duì);信息傳遞信道:跨越時(shí)間與空間的“心靈感應(yīng)”;糾纏光子分發(fā)物理信道:光纖，自由空間。特點(diǎn):信息的傳遞理論上可以超光速，與距離無關(guān)，但由于須要經(jīng)典信息作測(cè)量協(xié)助，獲得信息的速度并未超過光速;具有經(jīng)典通信無法供應(yīng)的嚴(yán)格平安性。應(yīng)用方式:量子隱形傳態(tài)(QTquantumteleportation);量子糾纏密鑰分發(fā)。量子通信原理簡(jiǎn)介量子通信目前所面臨的的難題量子通信是一門新興且極具前景的學(xué)科，其已取得了巨大的成果。但是目前仍面臨不少難題。如量子隱形通信中純糾纏態(tài)粒子難以制備，甚至量子隱形通信目前仍處在試驗(yàn)室階段。通過發(fā)送粒子進(jìn)行密鑰安排或干脆進(jìn)行密文傳輸，會(huì)遭遇光子數(shù)分別攻擊，較為成熟的單光子信道通信距離仍舊較短，目前最長(zhǎng)的記錄是約160km。好用率仍舊較低，一是通信距離不等于平安距離，很多聲稱超過100km的系統(tǒng)，理論平安距離只有10km量級(jí)。二是通信距離、通信速率、通信質(zhì)量三者具有相關(guān)性，不行能同時(shí)達(dá)到最大，有的系統(tǒng)通信距離可達(dá)l00km，但成碼率只有10bit/s。量子通信發(fā)呈現(xiàn)狀繼Bennett之后，又分別Bouwmeester等人用光子極化、Boschi等人用光學(xué)技術(shù)、Furusawa等人用光的擠壓態(tài)以及Nielsen等人用核磁共振（NMR）實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)。在我國(guó)，中國(guó)科技高校的郭光燦院士和潘建偉教授等人在這方面取得了重要進(jìn)展。1999年至2001年，潘建偉和他在奧地利的合作者們首次成功實(shí)現(xiàn)了三光子糾纏態(tài)、四光子糾纏態(tài)，并用它們驗(yàn)證了量子力學(xué)與定域?qū)嵲谡摰臎_突。潘建偉和他在中國(guó)科技高校的同事在2003年首次成功實(shí)現(xiàn)了自由量子態(tài)的隱形傳送、糾纏態(tài)純化以及量子中繼器；2004年實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏和開放目的的量子隱形傳態(tài)；2006年，首次實(shí)現(xiàn)兩粒子復(fù)合系統(tǒng)量子隱形傳態(tài)，并在試驗(yàn)中第一次成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)六光子糾纏態(tài)的操控。量子通信原理簡(jiǎn)介量子通信發(fā)呈現(xiàn)狀在量子密碼理論不斷完善的同時(shí)，量子密碼技術(shù)在試驗(yàn)上也取得了很大進(jìn)展。1989年，IBM公司和蒙特利爾高校合作完成了量子密碼學(xué)中的第一個(gè)試驗(yàn)，利用BB84協(xié)議在相距30cm的收發(fā)兩端實(shí)現(xiàn)了對(duì)隱私隨機(jī)比特串的認(rèn)證。1995年，瑞士日內(nèi)瓦高校在日內(nèi)瓦湖底鋪設(shè)的23km長(zhǎng)民用通信光纜中進(jìn)行了實(shí)地演示。2002年，德國(guó)慕尼黑高校和英國(guó)軍方下屬的探討機(jī)構(gòu)合作，在德國(guó)和奧地利邊疆相距23.4km的楚格峰和卡爾文德爾峰之間用激光成功傳輸了光子密鑰。2004年6月3日，世界上第一個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)在美國(guó)馬薩諸塞州劍橋城正式投入運(yùn)行。目前發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)起先進(jìn)行空)地量子密鑰傳輸?shù)南嚓P(guān)理論及試驗(yàn)探討。歐空局(ESA)和美國(guó)正在主動(dòng)開展空間量子密鑰安排理論探討和可行性論證工作。量子通信發(fā)呈現(xiàn)狀中科院物理所于1995年對(duì)BB84方案首次做了演示性試驗(yàn)。2005年,中國(guó)科技高校實(shí)現(xiàn)了糾纏光子對(duì)通過地面大氣13km的自由空間分發(fā)試驗(yàn)。該試驗(yàn)表明,糾纏光子在通過超過大氣層等效厚度的距離之后,糾纏特性照舊能夠保持很好。試驗(yàn)中糾纏光子對(duì)的最終收集效率或者說衰減為百分之幾,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于人造衛(wèi)星的自由空間量子通信的信道衰減閾值。這個(gè)試驗(yàn)第一次驗(yàn)證了用糾纏光子對(duì)進(jìn)行地面和衛(wèi)星量子通信的可行性,為將來在天地之間應(yīng)用量子通信供應(yīng)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。量子通信的前景與展望前面我們說到了量子通信的確定保密性，量子隱形傳態(tài)甚至還具有無障礙通信實(shí)力。量子通信的這些優(yōu)良特性確定了其廣袤的無法估量的前景。量子通信及相關(guān)技術(shù)可以在以