最近掀起了量子熱，那么請了解一下量子通信技術原理吧
2015-12-15 21:25:35 N在12月11日，歐洲物理學會新聞網站“物理世界”公布了2015年度國際物理學領域的十項重大突破，中國有兩項入選，可喜可賀！
其中中國科學技術大學教授潘建偉、陸朝陽等完成的科研成果“多自由度量子隱形傳態(tài)”名列榜首。據了解，潘建偉研究團隊在國際上首次成功實現了“多自由度量子體系的隱形傳態(tài)”，這項工作打破了國際學術界從1997年以來只能傳輸基本粒子單一自由度的局限，為發(fā)展可擴展的量子計算和量子網絡技術奠定了堅實的基礎。
在此消息的鼓舞下，國內掀起一股量子熱，EETOP作為一個有影響的傳播電子行業(yè)信息及技術的公眾號，有必要給大家普及一下量子通信這一高深技術的基本原理。
1. 量子通信到底是什么
據了解，量子信息是量子物理與信息技術相結合發(fā)展起來的新學科，主要包括量子通信和量子計算2個領域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠距離量子通信的技術等等；量子計算主要研究量子計算機和適合于量子計算機的量子算法。谷歌對外的宣布與量子計算有關，而潘建偉教授的““多自由度量子隱形傳態(tài)””涉及的科研成果則與量子通信有關。
關于量子計算，就是一種依照量子力學理論進行的新型計算，量子計算的基礎和原理以及重要量子算法，為在計算速度上超越圖靈機模型提供了可能。
關于量子通信，這是國家信息安全的“終極武器”，該技術作為一種絕對安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業(yè)等領域的信息安全問題。由于量子通信具有超高安全、超大容量、超遠距離保密通信、傳輸系統幾乎無法破譯等特點，世界各國都對此充滿期待。而中國科學技術大學的研究成果，則讓我國走在了該項技術的前沿。
潘建偉在報告中提到，目前在中科院的支持下，執(zhí)行一個量子科學衛(wèi)星的先導專項。現在正在進行研制，這顆衛(wèi)星將于2016年上半年發(fā)射，在國際上率先實現高速的星地量子通信。這樣的話，用光纖來做城域網，用衛(wèi)星來做廣域網，就可以構建天地一體化的廣域量子通信網絡。
潘建偉表示，“在信息科學方面，有信息安全的瓶頸。比如說芯片可以有后門，在光纖當中也可以對光路進行無感竊聽，對服務器也可以進行竊聽。世界上存在著各種各樣的竊聽和黑客攻擊模式，人們一直在尋求一種在原理上可以無條件安全的通信模式。網絡犯罪每年給全球帶來數千億美元的經濟損失，這是美國戰(zhàn)略和國際問題研究中心的評估，更不用講在國防安全和其他方面的重要性了。”
2、量子通信的基本原理
2.1基本概念
量子通信是利用量子相干疊加、量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信技術，由量子論和信息論相結合而產生。從物理學角度看，量子通信是在物理極限下利用量子效應現象完成的高性能通信，從物理原理上確保通信的絕對安全，解決了通信技術無法解決的問題，是一種全新的通信方式。從信息學角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子隱形傳輸等量子特性，借助量子測量的方法實現兩地之間的信息數據傳輸。量子通信中傳輸的不是經典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息，是未來通信技術的重要發(fā)展方向。
2.2 量子通信的主要組成部分
量子通信主要由量子密鑰分配( QKD，Quantum Key Distribution)、量子隱形傳態(tài)(Quantum Teleportation)、量子安全直接通信(QSDC，Quantum Secure Direct Communication) 、量子機密共享( QSS，Quantum Secret Sharing) 等4個方面。
2.2.1量子密鑰分配( QKD)
量子密鑰分配以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學的測不準關系和量子不可克隆定理，通過量子信道使通信收發(fā)雙方共享密鑰，是密碼學與量子力學相結合的產物。QKD 技術在通信中并不傳輸密文，只是利用量子信道傳輸密鑰，將密鑰分配到通信雙方。基于QKD 技術的保密通信系統架構如下圖
基于QKD的量子保密通信系統
目前，各國學者在理論上已經提出了幾十種量子密鑰分配方案，根據信號源的不同大概可分為三類:基于單量子的量子密鑰分配方案；基于量子糾纏對的量子密鑰分配方案；基于單量子與量子糾纏對的混合量子密鑰分配方案。
2.2.2量子隱形傳態(tài)
量子隱形傳態(tài)(Quantum Teleportation)又稱量子遠程傳態(tài)或量子離物傳態(tài)，是利用量子糾纏的不確定特性，將某個量子的未知量子態(tài)傳送到另一個地方，然后將另一個量子制備到該量子態(tài)上，而原來的量子仍留在原處。其基本原理是利用量子糾纏對的遠程關聯，通過對其中一個糾纏量子和某一個未知量子態(tài)進行一些本地測量，實現這個未知量子態(tài)在另一個糾纏量子上再現出來。量子態(tài)傳送過程是隱形的，通信過程中傳輸的只是表達量子信息的“狀態(tài)”，而并不傳輸作為信息載體的量子本身，通信沒有經歷空間與時間，不發(fā)送任何量子態(tài)，而是將未知量子態(tài)所包含的信息傳送出去。
2.2.3量子安全直接通信(QSDC)
量子安全直接通信是指通信雙方以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學相關原理及量子特性，利用量子信道，在通信收發(fā)雙方之間安全地、無泄漏地直接傳輸有效信息，特別是機密信息的通信技術。
QSDC是量子通信技術的一個重要分支，主要用于直接傳輸機密信息。通信的收發(fā)雙方無需事先建立安全密鑰，就可以直接通過量子通道進行信息傳輸。QSDC與量子密鑰分發(fā)的根本區(qū)別在于在量子信道中直接傳遞秘密信息，安全性要求比量子密鑰分配高，但總體而言，QSDC方案還存在非實時及其量子信道信息所需要的糾纏態(tài)、量子存儲等技術還不成熟的問題。
2.2.4量子機密共享(QSS)
量子機密共享是傳統的機密共享在量子通信中的運用和發(fā)展，傳統的機密共享旨在對重要的密鑰進行安全保護，使即便部分或全部密鑰被第三方竊取也難以恢復出真實的密鑰。其主要實現思路是，將原始密鑰分割成多份，然后將多份密鑰分別發(fā)給多個用戶，每個用戶都只能獲取一份或多份密鑰份額，只有在多個密鑰分享者合作下，才能恢復出原始的密鑰，不能滿足上述條件的共享者將無法得到全部的密鑰。通過使用機密共享方案，可以在分享機密信息的同時，防止不誠實用戶的破壞企圖。
量子機密共享是多個通信方之間通過多量子糾纏態(tài)實現的量子通信，但現實應用技術難度大，還基本處在理論研究階段。1999年，Hillery，Buzek和Berthiaume提出了首個量子機密共享方案，隨后，各國學者又相繼提出了大約十幾種理論方案，包括共享一個未知態(tài)的一些方案，并于2001年在實驗上進行了演示。
2.3量子通信的體系架構
量子通信系統的基本模型如上圖所示，其中，量子信源：以盡可能少的量子比特來表示輸入符號，從而將要傳輸的信息轉化成量子比特流；量子編碼器：對量子比特流進行編碼，達到數據壓縮或加入糾錯碼對抗噪聲的目的；量子調制器：使量子信號的特性與信道特性匹配；量子解調器：通過量子操作得到調制前的量子信息；量子傳輸信道：傳送量子信號的通道；輔助信道：經典信道及其它附加信道；量子信道噪聲：環(huán)境對量子信號影響的等效描述；量子譯碼器：把量子比特轉化成經典信息；量子信宿：量子信息的接收方。目前，在量子通信系統的實際應用中，一般采用“量子信道+輔助經典信道”的方式完成非理想的量子密鑰分發(fā)或量子密碼通信，在經典信道輔助下，通信雙方利用量子信道實現量子信息的交互和同步，獲取量子密鑰。
3、量子通信技術的特點與優(yōu)勢
量子通信與傳統通信技術相比，具有如下主要特點和優(yōu)勢:具有極高的安全性和保密性，根據量子不可克隆定理，量子信息一經檢測就會產生不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被竊取，接收者必定能發(fā)現，量子通信沒有電磁輻射，第三方無法進行無線監(jiān)聽或探測；時效性高傳輸速度快，量子通信的線路時延近乎為零，量子信道的信息效率相對于經典信道量子的信息效率高幾十倍，并且量子信息傳遞的過程沒有障礙，傳輸速度快；抗干擾性能強，量子通信中的信息傳輸不通過傳統信道，與通信雙方之間的傳播媒介無關，不受空間環(huán)境的影響，具有完好的抗干擾性能，同等條件下，獲得可靠通信所需的信噪比比傳統通信手段低30～40dB；傳輸能力強，量子通信與傳播媒介無關，傳輸不會被任何障礙阻隔，量子隱形傳態(tài)通信還能穿越大氣層，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質中通信。
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