量子通信与量子计算

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1、量子通信与量子计算光信息科学与技术0310190李震光信息科学与技术0310326黄章超量子信息学，是一门利用微观粒子的量子力学原理来解决经典信息学和经典计算机所不能解决的问题的学科，因此量子信息学是量子力学和信息学的交叉科学。量子信息学最重要的两个应用方向是量子通信和量子计算。一门新兴学科——量子信息学量子信息学涉及的领域：1）物理学量子态的描述，传输和控制2）信息科学量子信息的编码、传输、处理量子计算机的组织、结构量子通信设备的系统、结构3）数学量子信息描述、运算研究状况1982年，PaulBennooff提出量子计算机的假设1985年，D.Deutsh构造了量子计算机模型1

2、992年，C.H.Bennett提出量子信道传送经典信息的可能性1993年，S．Lloyd证明了二元量子逻辑门的通用性。1993年，C.H.Bennett发表了量子测量、量子信息提取、量子信道、信道容量的开创性的研究成果。1994年Petershor提出量子快速分解算法1995年Petershor提出量子纠错编码量子信息量子信息就是利用微观粒子状态表示的信息。量子信息的载体可以是任意两态的微观粒子系统。例如光子具有两个不同的线偏振态或椭圆偏振态；恒定磁场中原子核的自旋；具有二能级的原子、分子或离子；围绕单一原子旋转的电子的两个状态等。这些微观粒子构成的系统都是只有量子力学才能描述

3、的微观系统。用具有两个电子层面的原子来表示量子信息在这个原子模型中，具有两个层面的电子即能稳定在“基本”状态。我们把这两种状态称为一个电子的两个极化状态，分别为

4、0〉和

5、1〉。这两个状态之间可以通过外界条件互相转化。当利用量子的某一状态表示信息时，我们就说信息量子化了，并称之为量子信息通过将信息量子化，就可以进行量子通讯。量子通讯是利用光的偏振对数据进行编码。在一个方向上的偏振视为0，而另一个视为1。常用的有两种偏振方式：直线型和对角型为了接收正确的信息，必须测量光子并使用正确的滤光器偏振方向。例如，和信息传送的偏振方向相同。如果一个接收器是处于直线型的偏振方向，那么就会发射出对

6、角偏振的光子，然后一个完全随机的结果就会出现在接收器上。使用这种方法，特性信息能够发送而使窃听者无法不被发现地偷听。这就涉及到量子密码术加密是保障信息安全的重要手段之一。当前最常用的加密技术是用复杂的数学算法来改变原始信息。这种方法虽然安全性较高，但存在被破译的可能，并非绝对可靠。而量子密码术是一种截然不同的加密方法，主要利用量子状态来作为信息加密和解密的密钥。任何想测算和破译密钥的人，都会因改变量子状态而得到无意义的信息，而信息合法接收者也可以从量子态的改变而知道密钥曾被截获过。量子密码的安全性在理论上可由1。海森堡测不准原理2。量子不可复制定理“海森堡测不准原理”是量子力学的

7、基本原理，它表明，在同一时刻以相同的精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的推论，它表明，在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态。根据这两条定理，任何窃听者的存在都会被发现，从而保证密码本的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对安全。量子密码术是密码术与量子力学结合的产物，它利用了系统所具有的量子性质。首先想到将量子物理用于密码术的是美国科学家威斯纳。威斯纳于1970年提出，可利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子态

8、，不太现实。贝内特和布拉萨德在研究中发现，单量子态虽然不好保存但可用于传输信息。1984年，贝内特和布拉萨德提出了第一个量子密码术方案，称为BB84方案，由此迎来了量子密码术的新时期。1992年，贝内特又提出一种更简单，但效率减半的方案，即B92方案：量子密码术并不用于传输密文，而是用于建立、传输密码本。最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振特性，目前主流的实验方案则用光子的相位特性进行编码。目前，在量子密码术实验研究上进展最快的国家为英国、瑞士和美国。英国国防研究部于1993年首先在光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子密钥分发，光纤传输长度为10公里。这项研究后来转到英国

9、通讯实验室进行，到1995年，经多方改进，在30公里长的光纤传输中成功实现了量子密钥分发。与偏振编码相比，相位编码的好处是对光的偏振态要求不那么苛刻。在长距离的光纤传输中，光的偏振性会退化，造成误码率的增加。瑞士日内瓦大学1993年基于BB84方案的偏振编码方案，在1．1公里长的光纤中传输1．3微米波长的光子，误码率仅为0．54％，并于1995年在日内瓦湖底铺设的23公里长民用光通信光缆中进行了实地表演，误码率为3．4％。1997年，他们利用法拉第镜消除了光纤中的双折射等影响因素