量子糾纏及其在量子通信中的應(yīng)用

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1、量子糾纏及其在量子通信中的應(yīng)用吳家燕物理學(xué)專業(yè)15346036摘要量子理論為我們描繪了一幅與我們?nèi)菀赘兄慕斫?jīng)典力學(xué)統(tǒng)治的現(xiàn)實(shí)世界有大不同的量子世界圖象，而量子糾纏是量子世界特有的現(xiàn)象，在經(jīng)典世界屮沒有對(duì)應(yīng)。糾纏態(tài)的制備和各種測(cè)璧仍然是現(xiàn)在前沿研究的一個(gè)熱點(diǎn)話題。這小小的S:子糾纏正在當(dāng)今世界中，從S:子密碼到完全保密的量子通信，從量子計(jì)算機(jī)到未來的量子互聯(lián)給人類帶來新的希望。關(guān)鍵詞量子糾纏量子比特量子隱形量子密鑰量子通信正文量子糾纏現(xiàn)象史上最怪、最不合理、最瘋狂、最荒謬的量子力學(xué)預(yù)測(cè)便是“量子糾纏”。量子糾纏是一種理論性的

2、預(yù)測(cè)，它是從量子力學(xué)的方程式中得來的。如果兩個(gè)粒子的距離夠近，它們可以變成糾纏狀態(tài)而使某些性質(zhì)連接。出乎意料的是，：W:子力學(xué)表明，即便你將這兩個(gè)粒子分開，讓它們以反方向運(yùn)動(dòng)，它們依舊無法擺脫糾纏態(tài)。以電子的“自旋”作例子，電子的自旋直到你觀測(cè)它的那一刻才能決定，當(dāng)你觀測(cè)它時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它不是順時(shí)針轉(zhuǎn)就是逆時(shí)針轉(zhuǎn)。假設(shè)有兩個(gè)互相糾纏的電子對(duì)，當(dāng)其屮一個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，另一個(gè)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)，反之亦然。不過奇怪之處是它們并沒有真正連接在一起。對(duì)量子理論堅(jiān)信不疑的波爾和他的同事們相信，a子糾纏可以預(yù)測(cè)相隔其遠(yuǎn)的電子對(duì)的狀態(tài)，即便它們一個(gè)在地

3、球，一個(gè)在月球，沒有傳輸線相連，如果你在某個(gè)時(shí)刻觀測(cè)到其中一個(gè)電子在順吋針旋轉(zhuǎn)，那么另一個(gè)在同一吋刻必定是在逆吋針旋轉(zhuǎn)。換句話說，如果你對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行觀測(cè)，那么你不止是影響了它，你的觀測(cè)也同時(shí)影響了它所糾纏的伙伴，而且這與兩個(gè)粒子間的距離無關(guān)。兩個(gè)粒子的這種怪異的遠(yuǎn)距離連接，愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。波爾所擁護(hù)的S子力學(xué)方程式表明，相互糾纏的粒子即使相距很遠(yuǎn)，也可以互相連接。而克勞澤與阿斯佩的實(shí)驗(yàn)證明了量子力學(xué)的方程是正確的，糾纏是真實(shí)的，粒子可以跨越空間連接一一對(duì)其一進(jìn)行測(cè)量，確實(shí)可以瞬間影響到它遠(yuǎn)方的同伴，

4、仿佛跨越了空間限制。量子糾纏態(tài)特性經(jīng)典信息的基本單元是比特（bit）,它是一個(gè)兩態(tài)系統(tǒng)，可制備為兩個(gè)可識(shí)別狀態(tài)中的—個(gè)，例如：0或1。量子信息的基本單元稱為量子比特（qubit），它也是一個(gè)兩態(tài)系統(tǒng)，且是兩個(gè)線性獨(dú)立的態(tài)。量子比特的兩個(gè)可能狀態(tài)可表示為：

5、0＞和

6、1＞。量子比特和比特之間的最大區(qū)別在于量子比特還可以處在

7、0＞和

8、1〉之間的疊加態(tài)（superposition）上，因此量子比特的狀態(tài)可看成是二維復(fù)向量空間屮的單位向量。比特可以看成是量子比特的特例。信息用量子態(tài)來表示便實(shí)現(xiàn)了信息的“量子化”，這是量子信息學(xué)的出發(fā)點(diǎn)

9、。信息一旦量子化，量子力學(xué)特性便成為信息處理過程的物理基礎(chǔ)：信息的演化遵從薛定諤方程，信息的傳輸就是量子態(tài)在量子通道中的傳送，信息處理和計(jì)算是對(duì)量子態(tài)的么正變換，信息提収則是對(duì)量子系統(tǒng)實(shí)行量子測(cè)量。量子糾纏態(tài)是在量子力學(xué)多粒子體系中普遍存在的一種量子態(tài).從數(shù)學(xué)角度來說，當(dāng)一個(gè)量子比特序列無法用各量子比特的張量乘積表示的話，這個(gè)量子態(tài)就稱為糾纏態(tài)。量子糾纏是量子信息最核心的部分，幾乎所有的量子信息處理過程都與之有關(guān)。量子糾纏本來是愛因斯坦等科學(xué)家為了證明量子力學(xué)的不完備而提出的一種很奇妙的量子概念，但在量子信息學(xué)屮卻成為一種極

10、某重要的新型資源，并有著大U的應(yīng)用：如在U子密鑰分配屮，基于量子糾纏交挽和量子糾纏純化的量子屮繼器可以克服距離所帶來的噪聲和消相干;量子隱形傳態(tài)和量子超密編碼是基于量子糾纏而提出的概念。量子通信量子通信利用量子態(tài)對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)與傳輸。主要包括量子隱形傳態(tài)與量子糾纏的應(yīng)用；量子通信信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、接收與檢測(cè)；量子通信信道的模型。其中，量子信源：以盡可能少的量子比特來表示輸入符號(hào)，從而將要傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)化成量子比特流：量子編碼器：對(duì)量子比特流進(jìn)行編碼，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮或加入糾錯(cuò)碼對(duì)抗噪聲的目的；量子調(diào)制器：使量子信號(hào)的特性與信

11、道特性匹配；量子解調(diào)器：通過量子操作得到調(diào)制前的量子信息；量子傳輸信道：傳送量子信號(hào)的通道：輔助信道：經(jīng)典信道及其它附加信道；量子信道噪聲：環(huán)境對(duì)量子信號(hào)影響的等效描述；量子譯碼器：把S:子比特轉(zhuǎn)化成經(jīng)典信息；fi子信宿：fi子信息的接收方量子通信中有兩個(gè)特有的研宄內(nèi)容：(1)量子隱形傳態(tài)和糾纏的分發(fā)奇異的量子糾纏態(tài)的非局域相關(guān)性與信息科學(xué)相結(jié)合，產(chǎn)生了經(jīng)典通信不可比擬的量子通信，而量子隱形傳態(tài)就是量子遠(yuǎn)程通信的典型方式之一.y:子隱形傳態(tài)的基本思想是將原物信息分成經(jīng)典的和:w:子的兩部分，經(jīng)典信息由經(jīng)典信道(電話、電傳等方

12、式＞傳輸，量子信息由量子信道傳輸，最終將原物信息一一某個(gè)粒子的未知量子態(tài)從A方傳送到B方1993年，Bennett等來自四個(gè)國家的六位科學(xué)家演示了第一種量子隱形傳態(tài)方案。方案的工作原理如下：量子糾纏源產(chǎn)生一個(gè)EPR對(duì)，Alice和Bob各擁有其屮的一個(gè)，記為粒子B1和B2?，F(xiàn)在Alice和