量子通信與量子計(jì)算

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1、量子通信與量子計(jì)算光信息科學(xué)與技術(shù)0310190李震光信息科學(xué)與技術(shù)0310326黃章超量子信息學(xué)，是一門利用微觀粒子的量子力學(xué)原理來(lái)解決經(jīng)典信息學(xué)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不能解決的問題的學(xué)科，因此量子信息學(xué)是量子力學(xué)和信息學(xué)的交叉科學(xué)。量子信息學(xué)最重要的兩個(gè)應(yīng)用方向是量子通信和量子計(jì)算。一門新興學(xué)科——量子信息學(xué)量子信息學(xué)涉及的領(lǐng)域：1）物理學(xué)量子態(tài)的描述，傳輸和控制2）信息科學(xué)量子信息的編碼、傳輸、處理量子計(jì)算機(jī)的組織、結(jié)構(gòu)量子通信設(shè)備的系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)3）數(shù)學(xué)量子信息描述、運(yùn)算研究狀況1982年，PaulBennooff提出量子計(jì)算機(jī)的假設(shè)1985年，D.Deutsh構(gòu)造了量子計(jì)算機(jī)模型1

2、992年，C.H.Bennett提出量子信道傳送經(jīng)典信息的可能性1993年，S．Lloyd證明了二元量子邏輯門的通用性。1993年，C.H.Bennett發(fā)表了量子測(cè)量、量子信息提取、量子信道、信道容量的開創(chuàng)性的研究成果。1994年P(guān)etershor提出量子快速分解算法1995年P(guān)etershor提出量子糾錯(cuò)編碼量子信息量子信息就是利用微觀粒子狀態(tài)表示的信息。量子信息的載體可以是任意兩態(tài)的微觀粒子系統(tǒng)。例如光子具有兩個(gè)不同的線偏振態(tài)或橢圓偏振態(tài)；恒定磁場(chǎng)中原子核的自旋；具有二能級(jí)的原子、分子或離子；圍繞單一原子旋轉(zhuǎn)的電子的兩個(gè)狀態(tài)等。這些微觀粒子構(gòu)成的系統(tǒng)都是只有量子力學(xué)才能描述

3、的微觀系統(tǒng)。用具有兩個(gè)電子層面的原子來(lái)表示量子信息在這個(gè)原子模型中，具有兩個(gè)層面的電子即能穩(wěn)定在“基本”狀態(tài)。我們把這兩種狀態(tài)稱為一個(gè)電子的兩個(gè)極化狀態(tài)，分別為

4、0〉和

5、1〉。這兩個(gè)狀態(tài)之間可以通過外界條件互相轉(zhuǎn)化。當(dāng)利用量子的某一狀態(tài)表示信息時(shí)，我們就說信息量子化了，并稱之為量子信息通過將信息量子化，就可以進(jìn)行量子通訊。量子通訊是利用光的偏振對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。在一個(gè)方向上的偏振視為0，而另一個(gè)視為1。常用的有兩種偏振方式：直線型和對(duì)角型為了接收正確的信息，必須測(cè)量光子并使用正確的濾光器偏振方向。例如，和信息傳送的偏振方向相同。如果一個(gè)接收器是處于直線型的偏振方向，那么就會(huì)發(fā)射出對(duì)

6、角偏振的光子，然后一個(gè)完全隨機(jī)的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)在接收器上。使用這種方法，特性信息能夠發(fā)送而使竊聽者無(wú)法不被發(fā)現(xiàn)地偷聽。這就涉及到量子密碼術(shù)加密是保障信息安全的重要手段之一。當(dāng)前最常用的加密技術(shù)是用復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法來(lái)改變?cè)夹畔?。這種方法雖然安全性較高，但存在被破譯的可能，并非絕對(duì)可靠。而量子密碼術(shù)是一種截然不同的加密方法，主要利用量子狀態(tài)來(lái)作為信息加密和解密的密鑰。任何想測(cè)算和破譯密鑰的人，都會(huì)因改變量子狀態(tài)而得到無(wú)意義的信息，而信息合法接收者也可以從量子態(tài)的改變而知道密鑰曾被截獲過。量子密碼的安全性在理論上可由1。海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理2。量子不可復(fù)制定理“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”是量子力學(xué)的

7、基本原理，它表明，在同一時(shí)刻以相同的精度測(cè)定量子的位置與動(dòng)量是不可能的，只能精確測(cè)定兩者之一?！皢瘟孔硬豢蓮?fù)制定理”是“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”的推論，它表明，在不知道量子狀態(tài)的情況下復(fù)制單個(gè)量子是不可能的，因?yàn)橐獜?fù)制單個(gè)量子就只能先作測(cè)量，而測(cè)量必然改變量子的狀態(tài)。根據(jù)這兩條定理，任何竊聽者的存在都會(huì)被發(fā)現(xiàn)，從而保證密碼本的絕對(duì)安全，也就保證了加密信息的絕對(duì)安全。量子密碼術(shù)是密碼術(shù)與量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了系統(tǒng)所具有的量子性質(zhì)。首先想到將量子物理用于密碼術(shù)的是美國(guó)科學(xué)家威斯納。威斯納于1970年提出，可利用單量子態(tài)制造不可偽造的“電子鈔票”。但這個(gè)設(shè)想的實(shí)現(xiàn)需要長(zhǎng)時(shí)間保存單量子態(tài)

8、，不太現(xiàn)實(shí)。貝內(nèi)特和布拉薩德在研究中發(fā)現(xiàn)，單量子態(tài)雖然不好保存但可用于傳輸信息。1984年，貝內(nèi)特和布拉薩德提出了第一個(gè)量子密碼術(shù)方案，稱為BB84方案，由此迎來(lái)了量子密碼術(shù)的新時(shí)期。1992年，貝內(nèi)特又提出一種更簡(jiǎn)單，但效率減半的方案，即B92方案：量子密碼術(shù)并不用于傳輸密文，而是用于建立、傳輸密碼本。最初的量子密碼通信利用的都是光子的偏振特性，目前主流的實(shí)驗(yàn)方案則用光子的相位特性進(jìn)行編碼。目前，在量子密碼術(shù)實(shí)驗(yàn)研究上進(jìn)展最快的國(guó)家為英國(guó)、瑞士和美國(guó)。英國(guó)國(guó)防研究部于1993年首先在光纖中實(shí)現(xiàn)了基于BB84方案的相位編碼量子密鑰分發(fā)，光纖傳輸長(zhǎng)度為10公里。這項(xiàng)研究后來(lái)轉(zhuǎn)到英國(guó)

9、通訊實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，到1995年，經(jīng)多方改進(jìn)，在30公里長(zhǎng)的光纖傳輸中成功實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)。與偏振編碼相比，相位編碼的好處是對(duì)光的偏振態(tài)要求不那么苛刻。在長(zhǎng)距離的光纖傳輸中，光的偏振性會(huì)退化，造成誤碼率的增加。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)1993年基于BB84方案的偏振編碼方案，在1．1公里長(zhǎng)的光纖中傳輸1．3微米波長(zhǎng)的光子，誤碼率僅為0．54％，并于1995年在日內(nèi)瓦湖底鋪設(shè)的23公里長(zhǎng)民用光通信光纜中進(jìn)行了實(shí)地表演，誤碼率為3．4％。1997年，他們利用法拉第鏡消除了光纖中的雙折射等影響因素