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量子通讯

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  量子通讯
  量子通讯(Quantum communication)是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通讯主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理,量子通讯具有高效率和绝对安全等特点,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。
  中文名量子通讯
  外文名Quantum communication
  原 理量子纠缠效应
  作 用进行信息传递
  类 型新型的通讯方式
  主要涉及量子密码通信、量子远程传态
  目录
  1基本简介
  2研究突破
  3中国研究
  4新成果
  1基本简介
  量子通讯系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输,后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。从物理学角度,可以这样来想象隐形传送的过程:先提取原物的所有信息,然后将这些信息传送到接收地点,接收者依据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本单元,制造出原物完美的复制品。但是,量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息,这个复制品不可能是完美的。因此长期以来,隐形传送不过是一种幻想而已。
  1993年,6位来自不同国家的科学家,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案:将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个子制备到该量子态上,
  而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是:将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息;接收者在获得这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态,而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知,而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。
  在这个方案中,纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实,因此,量子力学展现出许多反直观的效应。在量子力学中能够以这样的方式制备两个粒子态,在它们之间的关联不能被经典地解释,这样的态称为纠缠态,量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义,而且可以用量子态作为信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信。
  1997年,在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并不被传输。为了进行远距离的量子态隐形传输,往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是,由于存在各种不可避免的环境噪声,量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此,如何提纯高品质的量子纠缠态是量子通信研究中的重要课题。
  国际上许多研究小组都在对这一课题进行研究,并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案,但是没有一个是能用现有技术实现的。潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案,原则上解决了在远距离量子通信中的根本问题。这项研究成果受到国际科学界的高度评价,被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃”。
  2研究突破
  据《新科学家》杂志等媒体综合报道,一支意大利和奥地利科学家小组宣布,他们首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子,实现了太空绝密传输量子信息的重大突破。这一突破标明在太空和地球之间可以构建安全的量子通道来传输信息,用于全球通信。此研究成果即将发表在《新物理学杂志》(New Journal of Physics)上。
  意大利帕多瓦大学的保罗·维罗来斯和恺莎尔·巴伯利领导此研究小组,成功地利用意大利名为马泰拉(Matera)激光测距天文台的1.5米望远镜向地球上空1500公里处的日本阿吉沙(Ajisai)人造卫星发射出光子并让此卫星将这些光子反弹回到了原始出发地。这标志着无法偷听的量子编码通信可望通过人造卫星来实现。此消息将会大受全球通信公司和银行的欢迎。
  据某些说法「在2007年6月,一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组在量子通讯研究中通过创下了
  通信距离达144公里的最远纪录」,但事实是1997年奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证,2004年该小组利用多瑙河底光纤信道,成功地将量子态隐形传输距离提高到600米。最终在2012年利用西班牙加纳利群岛的良好环境在大气中传输143公里。才打破了中国此前先后于北京和青海湖创下的16公里与97公里大气内传输世界纪录。
  而要达到更远的距离很难,因为大气容易干扰光子脆弱的量子状态。而巴伯利小组想出了解决办法,通过人造卫星来发送光子。由于大气随高度的增加而日趋稀薄,在卫星上旅行数千公里只相当于在地面上旅行8公里。
  由于巨大的实用价值及技术的可行性已经得到证明,中国已在多个场合宣布将于2015年发射人类首颗量子通讯卫星。同时将与奥地利合作进行北京至维也纳的人类首次量子卫星通讯试验,并试图由此构建两地之间的量子通讯网络。
  另一方面,早前为证实地面能观测到从轨道卫星上发送回来的光子,奥地利研究小组从意大利马泰拉(Matera)激光测距天文台的望远镜向阿吉沙(Ajisai)人造卫星发射出一束普通的激光。阿吉沙(Ajisai)人造卫星由318面镜片组成,从精确的镜片上反弹回来的单批光子成功地回到了此天文台。
  参与此项研究的奥地利维也纳的量子光学和量子信息研究所著名量子物理学家安顿·宰林格(Anton Zeilinger)认为太空至地球的量子通信是一项可行技术。宰林格正在打造一个人造卫星,用于产生纠缠光子,接收信息并对信息编码,之后再将编码的信息反射回来,以建立全球量子通讯网络。
  量子通讯是利用了光子等粒子的量子纠缠原理。量子通讯学告诉人们,在微观世界里,不论两个粒子间距离多远,一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象叫量子纠缠,这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。科学家认为,这是一种“神奇的力量”,可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。
  量子通讯是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科,与成熟的通信技术相比,量子通讯具有巨大的优越性,具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通讯不仅在军事、国防等领域具有重要的作用,而且会极大地促进国民经济的发展。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来,美国国家科学基金会、国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究,欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通讯的研究,研究项目多达12个。日本邮政省把量子通讯作为21世纪的战略项目。
  3中国研究
  中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室的潘建伟教授及其同事,利用冷原子量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换,建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果完美地实现了长程量子通信中亟需的“量子中继器”,向未来广域量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。
  类比于传统的电子通讯中为了补偿通讯号衰减而进行整形和放大的电子中继器,
  奥地利科学家在理论上提出,可以通过量子存储技术和量子纠缠交换和纯化技术的结合来实现量子中继器,从而最终实现大规模的长程量子通讯。量子存储的实验实现却一直存在着很大的困难。为了解决量子存储问题,国际上人们做了大量的研究工作。比如段路明及其奥地利、美国的合作者就曾于2001年提出了基于原子系综的另一类量子中继器方案。由于这一方案具有易于实验实现的优点,受到了学术界的广泛重视。然而,随后的研究表明,由于这一类量子中继器方案存在着诸如纠缠态对信道长度抖动过于敏感、误码率随信道长度增长过快等严重问题,无法被用于实际的长程量子通讯中。
  为了解决上述困难,潘建伟、陈增兵和赵博等在理论上提出了具有存储功能、并且对信道长度抖动不敏感、误码率低的高效率量子中继器方案。同时,潘建伟研究小组与德国、奥地利的科学家经过多年的合作研究,在逐步实现了光子—原子纠缠、光子比特到原子比特的量子隐形传态等重要阶段性成果的基础上,最终实验实现了完整的量子中继器基本单元。由于量子中继器实验实现在量子信息研究中的重要意义。
  作为新一代通信技术,量子通信基于量子信息传输的高效和绝对安全性,国际科研竞争中的焦点领域之一。合肥城域量子通信试验示范网于2010年7月启动建设,投入经费6000多万元。经过中国科学技术大学和安徽量子通信技术有限公司科研人员历时1年多的努力,项目建成后试运行,各项功能、指标均达到设计要求。该项目2012年3月29日通过安徽省科技厅组织的专家组验收,30日正式投入使用。
  具有46个节点的量子通信网覆盖合肥市主城区,使用光纤约1700公里,通过6个接入交换和集控站,连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。主要用户为对信息安全要求较高的政府机关、金融机构、医疗机构、军工企业及科研院所,如合肥市公安局、合肥市应急指挥中心、中国科技大学、合肥第三人民医院及部分银行网点等。
  合肥量子通信网的建成使用,标志着我国继量子信息基础研究跻身全球一流水平后,在量子信息先期产业化竞争中也迈出了重要一步。我国北京、济南、乌鲁木齐等城市的城域量子通信网也在建设之中,未来这些城市将通过量子卫星等方式联接,形成我国的广域量子通信体系。
  4新成果
  在2008年8月14日出版的最新一期《自然》杂志上,瑞士的5位科学家公布了他们的这项最新研究成果。瑞士科学家表示,原子、电子以及宇宙空间其他所有的微观物质都可能会表现出异常奇怪的行为,其行为规律可能与我们日常生活中传统的科学规律完全背道而驰。比如,物体可以同时存在于两个或多个场所;可以同时以相反的方向旋转。这种现象也许只有通过量子物理学来解释。量子物理学认为,任何事物之间都可能存着某种特定的联系。发生于某一物体之上的事件,可能同时对其他物体也会产生影响。这种现象称为“量子纠缠”。不管物体之间的距离有多远,同样存在“量子纠缠”的关系。
  爱因斯坦坚决反对“量子纠缠”理论,甚至将其戏称为“遥远的鬼魅行为”。根据量子力学理论的描述,两个处于纠缠态的粒子无论相距多远,都能“感知”和影响对方的状态。几十年来,物理学家试图验证这种神奇特性是否真实,以及决定它的幕后原因。其实,我们可以运用形象化的说明来解释这种现象。被纠缠的物体释放出某种不明粒子或其他形式的高速信号,从而对其伙伴产生影响。此前,已有实验证实传统物理学领域中某种隐藏信号的存在,从而打消了人们对于这种隐藏信号的种种疑问。但是,仍然有一个奇怪的可能性没有得到证实,即这种未知信号的传输速率可能会比光速还要高。
  为了证实这种可能性,瑞士科学家开始着手对一对相互纠缠的光子进行实验研究。首先,研究人员们将光子对拆散;然后,通过由瑞士电信公司提供的光纤向两个村庄接收站进行传送,接收站之间相距大约18公里。沿途光子会经过特殊设计的探测器,因此研究人员能够随时确定它们从出发到终点的“颜色”。最终,接收站证实每对相互纠缠的光子被分开传送到接收站后,两者之间仍然存在纠缠关系。通过对其中一个光子的分析,科学家可以预测另一光子的特征。在实验中,任何隐藏信号从此接收站传送到彼接收站,仅仅需要一百万兆分之一秒。这一传输速率保证了接收站能够准确地检测到光子。由此可以推测任何未知信号的传输速率至少是光速的10000倍。
  而爱因斯坦不仅不接受“量子纠缠”的思想,并且还坚持认为不可能存在比光速还要快的信号,任何比光速快的“鬼魅似的远距作用”都是不可思议的。根据1905年出版的爱因斯坦的相对论,他认为没有物体的运动速度能够超过光速。爱因斯坦解释说,光速属于自然界的一个基本常数:对于空间内所有的观察者来说,光速都是一样的。同样是爱因斯坦的相对论解释说,当物体加速时,物体本身的质量增加,而加速需要能量。随着物体质量的增加,维持速度所需的能量也更多。当物体以接近光速运行时,爱因斯坦经过计算说,它的质量将达到无限大,所以要使得物体继续运行的能量也要无限大,而要超过这一极限是不可能的。实际上,单独采用自旋的方式进行讯息传送(著名小说《三体》中的智子)讯息是不可行的,因为量子自旋的不确定性,这个状态无法传递任何讯息。其利用价值在于提供了一个可靠的高信息熵的且完全随机的一次性密码本,因而使得其所辅助的经典通讯变得不可破解。当然,要利用此一密码本的前提是发送和接收者需完全感知量子自旋状态,且必须对自旋时间起点选择达成一致,这要求高精度的经典通讯系统。
  而科学家们从实验中得到的结论,正可以用来解释同一事物同时出现在不同地点这一奇异现象。爱因斯坦都无法解释的奇怪行为,正是量子物理学和量子通讯的魅力之处。


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