量子通信的原理與優(yōu)勢

摘要：量子力學(xué)自產(chǎn)生起，就一直被質(zhì)疑它的正確性，無數(shù)的科學(xué)實驗證實了它是正確的。如今，量子力學(xué)作為現(xiàn)代物理的基礎(chǔ)，已經(jīng)有著廣泛的應(yīng)用。我國于2016年8月成功發(fā)射了墨子號量子通訊衛(wèi)星，實現(xiàn)了量子通信。本文將針對量子通信的原理和優(yōu)勢進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；通信；原理；優(yōu)勢

一、量子通信簡介

量子通信是一種新型通訊方式，主要利用量子糾纏的特點進(jìn)行信息傳遞。它是一門新興的交叉學(xué)科，由通信和物理結(jié)合而成的新領(lǐng)域。量子通信主要包含：量子密碼通道，量子遠(yuǎn)程傳態(tài)，量子密集編碼等。這門技術(shù)已經(jīng)從實驗室狀態(tài)擴(kuò)展到實際生產(chǎn)應(yīng)用中。基于量子力學(xué)的通信具有安全性好、失真度低、傳輸距離遠(yuǎn)、容量大的特點，成為國際研究熱點。

二、原理

量子通信的原理只要有量子糾纏、量子不可克隆定理、秘鑰分配和隱形傳態(tài)四個部分。與傳統(tǒng)的密碼學(xué)不同，量子密鑰分配是密碼學(xué)與量子力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以量子態(tài)為信息載體，利用量子力學(xué)的一些基本物理原理來傳輸和保護(hù)信息[1]。

（1）量子糾纏 量子糾纏描述復(fù)合系統(tǒng)（具有兩個以上的成員系統(tǒng)）之一類特殊的量子態(tài)，此量子態(tài)無法分解為成員系統(tǒng)各自量子態(tài)之張量積。量子糾纏技術(shù)起到安全的傳輸信息的目的。利用固定的兩個量子態(tài)糾纏的粒子，攜帶信息傳遞到另一個地區(qū)，根據(jù)糾纏原理，必須是和它糾纏的粒子才可與其再次形成糾纏態(tài)。這樣便可以起到很好的加密作用：

即A和B兩個糾纏的粒子表達(dá)一定的信息，以A為密鑰，把B傳送到另一地點，那么若想破譯信息，則必須用A粒子再次和B形成糾纏態(tài)方可破譯。這樣大大保證了信息傳遞的安全，且破譯具有唯一性。

因為糾纏態(tài)的每一分量均由兩個粒子的單態(tài)構(gòu)成， 所以處于糾纏態(tài)的兩個粒子具有這樣的特性：. 一旦我們確定了其中一個粒子測量的，狀態(tài)， 那么， 就立即知道另一個粒子所處的狀態(tài)， 不管它們相距多遠(yuǎn)[2]。

設(shè)粒子A和B對應(yīng)兩個量子態(tài)、，那么他們共有疊加態(tài)：

如果我們對其中一個粒子，假定是A，如果測出它的量子態(tài)是，那么如果是對的糾纏態(tài)，那么B粒子對應(yīng)的一定是。

（2）量子不可克隆定理

其具體內(nèi)容可從以下三方面表述[3]：

①不存在任何物理過程， 能做出兩個不同的非正交態(tài)的完全拷貝。

②量子系統(tǒng)的任意未知量子態(tài)不能被完全拷貝。

③要從編碼在非正交量子態(tài)中獲得信息， 這些態(tài)不遭破壞是不可能的。

由此我們知道，如果固定兩個疊加態(tài)的粒子，不可能出現(xiàn)另一對與其完全一樣的一對粒子。這就是加密的基礎(chǔ)。試想，如果包含信息的這一對粒子可以被復(fù)制，那么只需要創(chuàng)造出一個與其完全匹配的另一個粒子A`，就能破譯密碼。那這個不可克隆定理就限制了不可能有粒子A`=粒子A。

（3）量子密鑰分配

秘密通信依賴于密鑰， 如果發(fā)送者Alice和接收者Bob 通信雙方擁有他們自己才知道的私人密鑰， 就可以進(jìn)行秘密通信。Alice可以把密鑰的對應(yīng)位加上她的消息編碼的每一位，發(fā)送給Bob， Bob收到這個隨機(jī)位串后， 利用密鑰就可提取出Alice發(fā)來的消息。竊聽者即使截獲傳輸中的信號， 也不可能獲得任何消息， 因為單獨傳輸中的位串本身并不攜帶消息， 消息是編碼在傳輸串和密鑰相關(guān)中的[4]。

常見的協(xié)議有：

①基于兩種共扼基的量子密鑰分配方案， 其代表為BB84協(xié)議。

② 基于兩個非正交的兩態(tài)量子密鑰分配方案

③ 基于EPR佯謬的糾纏態(tài)量子密鑰分配方案， 該方案應(yīng)用量子力學(xué)的非局域性， 以EPR粒子對作為量子通道來傳送密鑰。

這些協(xié)議的基礎(chǔ)均是基于前述的未知量子態(tài)不可克隆定理基礎(chǔ)上建立的。

（4）量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)又稱量子遙傳、量子隱形傳輸、量子隱形傳送、量子遠(yuǎn)距傳輸或量子遠(yuǎn)傳，是一種利用分散量子纏結(jié)與一些物理訊息的轉(zhuǎn)換來傳送量子態(tài)至任意距離的位置的技術(shù)。是一種全新的通信方式。它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息，在量子糾纏的幫助下，待傳輸?shù)牧孔討B(tài)如同經(jīng)歷了科幻小說中描寫的“超時空傳輸”，在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方神秘地出現(xiàn)。

三、優(yōu)勢

量子通信的優(yōu)勢有安全性好、失真度低、傳輸距離遠(yuǎn)、容量大。它與傳統(tǒng)的無線電通訊與光通訊相比，有著許多的優(yōu)勢。

光通訊一般采取鋪設(shè)光纜的方式，通過光攜帶信息，在光纖介質(zhì)中多次發(fā)生全反射，進(jìn)行傳輸。無線電通訊作為二戰(zhàn)時期使用頻率最高的通訊方式，有著即時通訊的優(yōu)勢。信息通過無線電波加密，在空中以場的形式傳播，隨時接收，隨時翻譯。但由于接收沒有選擇性，故很容易被竊取，故需要對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密，保密性的好壞主要取決于密碼編輯的復(fù)雜程度。比如對講機(jī)、無線電報。以及現(xiàn)在普及的4G信號等，通過中轉(zhuǎn)站進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的傳輸。現(xiàn)在發(fā)展到衛(wèi)星通訊，如地圖導(dǎo)航等，直接發(fā)送信號至衛(wèi)星，進(jìn)行信息傳遞和反饋。

量子通訊兼有以上所有通訊的特點，可以說有過之而無不及。其保密性好，傳輸距離上比無線電通訊更遠(yuǎn)，且成本更低，與一些物理訊息的轉(zhuǎn)換來傳送量子態(tài)至任意距離的位置可以實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸。可以說量子通訊用于軍事，可以加強(qiáng)信息傳遞的保密性；用于生活可以減少基站建設(shè)數(shù)和衛(wèi)星發(fā)射數(shù)，提高資源利用率。

總之，量子通信作為新型的通訊方式， 已經(jīng)成為各國競相研究的課題。人們對量子通信技術(shù)的研究已經(jīng)取得良好的進(jìn)展，基本實現(xiàn)了量子通訊且走進(jìn)生產(chǎn)。但它也只是走出了實驗室走進(jìn)了生產(chǎn)，在大規(guī)模推廣和應(yīng)用方面還有很長的路要走，任重而道遠(yuǎn)。如果人類能夠完全解決量子通信的技術(shù)難題，這將使人類的生活產(chǎn)生翻天覆地的變化。量子通信將會發(fā)揮著越來越重要的作用，有著更加廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇曉琴，郭光燦. 量子通信與量子計算[J]. 量子電子學(xué)報，2004，（06）：706-718.

[2]何玲燕，王川，焦榮珍，馬海強(qiáng)，于麗. 量子通信原理及進(jìn)展概述[J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2012，（05）：466-471.

（作者單位：鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院）