量子通訊原理到底是什么詳細(xì)資料分析

近日媒體報(bào)道表示，此前將舉辦的2020天翼智能生態(tài)博覽會(huì)上，中國(guó)電信在展示臺(tái)上放出了兩臺(tái)樣本機(jī)，分別是由華為和中興的手機(jī)改造來(lái)的，而與原版手機(jī)最大的區(qū)別就是中國(guó)電信以及國(guó)盾量子作為了這兩臺(tái)手機(jī)的屏保識(shí)別，所以說(shuō)的這么深?yuàn)W，他跟咱們現(xiàn)在使用的量子通訊智能手機(jī)到底有什么不一樣？

或許到現(xiàn)在為止，很多人都不是很清楚量子通信、量子計(jì)算到底好在哪里？甚至對(duì)于什么是量子也是迷迷糊糊的搞不清楚。見有解釋稱，量子通信和計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)有很多，可以簡(jiǎn)單的理解為量子通信在于安全，量子計(jì)算在于快速，而量子通話手機(jī)自然也是“安全”，這樣解釋倒也可以，不過(guò)，終究因?yàn)榫嚯x太遠(yuǎn)，量子還是有點(diǎn)“玄乎”。

一、什么是量子通訊

量子通訊（Quantum Communication）是指利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控的一種通信形式，可以有效解決信息安全問(wèn)題。量子通信是量子信息學(xué)的一個(gè)重要分支，它利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控，在兩個(gè)地點(diǎn)之間進(jìn)行信息交互，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務(wù)。量子通信是迄今唯一被嚴(yán)格證明無(wú)條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問(wèn)題。

二、量子通訊原理

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(gè)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(lái)傳輸和保護(hù)信息。

（1）量子糾纏

量子糾纏描述復(fù)合系統(tǒng)（具有兩個(gè)以上的成員系統(tǒng)）之一類特殊的量子態(tài)，此量子態(tài)無(wú)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(gè)量子態(tài)糾纏的粒子，攜帶信息傳遞到另一個(gè)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(gè)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(diǎn)，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。

（2）量子不可克隆定理

其具體內(nèi)容可從以下三方面表述：

①不存在任何物理過(guò)程，能做出兩個(gè)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。

（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(duì)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(gè)隨機(jī)位串后，利用密鑰就可提取出Alice發(fā)來(lái)的消息。竊聽者即使截獲傳輸中的信號(hào)，也不可能獲得任何消息，因?yàn)閱为?dú)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）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(lái)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。

三、量子通訊工作方案

量子通信有兩種方案。

一種是直接通信方案，常見的如“乒乓協(xié)議“等，是采用量子通信手段直接傳送信息。這種方案也叫量子隱形傳態(tài)，是將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)，瞬間轉(zhuǎn)移給乙地的另一個(gè)粒子。但量子隱形傳態(tài)目前處于實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際的量子通信中尚未有成功實(shí)現(xiàn)的報(bào)道。

另一種應(yīng)用最廣、發(fā)展勢(shì)頭正猛的是間接通信方案，也稱為量子密鑰分發(fā)方案。它有兩個(gè)信道：一個(gè)是經(jīng)典信道，使用普通的有線或無(wú)線方法發(fā)送密文;另一個(gè)是量子信道，專門用于產(chǎn)生密鑰。每發(fā)送一次信息，通信雙方都要重新生成新的密鑰，即每次加密的密鑰都不一樣，實(shí)現(xiàn)了報(bào)文發(fā)送的“一次一密”，并且在密鑰發(fā)送的過(guò)程中還可以檢測(cè)有無(wú)偵聽者，所以它可以在原理上實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全可靠的通信。目前所謂的量子通信一般采用的是通過(guò)量子信道分發(fā)密鑰的方案。

四、量子通訊發(fā)展現(xiàn)狀

量子通信技術(shù)自從1992年第一個(gè)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)成功以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外都得到了迅猛發(fā)展。

國(guó)外發(fā)展

為了解國(guó)外的發(fā)展歷程，下面列出國(guó)外的幾個(gè)量子通信實(shí)驗(yàn)：

（1）1993年，英國(guó)國(guó)防部研究局實(shí)現(xiàn)了在光纖中利用BB84協(xié)議進(jìn)行了10km距離上的量子密鑰分發(fā)。

（2）2000年，美國(guó)阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了1.6km自由空間的量子密鑰分發(fā)。

（3）2002年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Gisin小組在67km的光纖上演示了量子密鑰分發(fā)。

（4）2004年，日本NEC公司在光纖上量子密鑰分發(fā)距離達(dá)到了150km。

（5）2006年，德國(guó)、奧地利、意大利、英國(guó)的4所大學(xué)在兩個(gè)海島之間進(jìn)行了夜晚144km的自由空間量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

（6）2008年，歐盟在維也納開通了有8個(gè)用戶的量子網(wǎng)絡(luò)。

（7）2008年，意大利和奧地利的科學(xué)家首次識(shí)別出從1500km高的衛(wèi)星上反射回地球的單批光子，從而為星地量子通信打下了基礎(chǔ)。

（8）歐盟計(jì)劃于2017年發(fā)射量子通信衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)星地量子通信。

國(guó)內(nèi)發(fā)展

在國(guó)內(nèi)，量子通信以中國(guó)科技大學(xué)的潘建偉和郭光燦兩個(gè)研究小組為主，他們的研究成果經(jīng)常發(fā)表于《Nature》等重要國(guó)際刊物。可以說(shuō)，中國(guó)的量子通信水平已居世界前列。以下是中國(guó)學(xué)者在量子通信領(lǐng)域的主要發(fā)展歷程：

（1）1995年，中國(guó)科學(xué)院物理所首次用BB84協(xié)議完成了演示實(shí)驗(yàn)。

（2）2003年，中國(guó)科技大學(xué)在校園內(nèi)鋪設(shè)了3.2km的量子通信系統(tǒng)。

（3）2005年，郭光燦小組在北京和天津之間完成了125km的光纖量子通信實(shí)驗(yàn)。

（4）2012年，潘建偉團(tuán)隊(duì)建設(shè)成功“合肥城域量子通信實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)”。該網(wǎng)絡(luò)有46個(gè)節(jié)點(diǎn)，連接40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。

（5）2012年，中國(guó)學(xué)者在青海湖完成了百公里量級(jí)糾纏光子對(duì)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

（6）2013年，中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合相關(guān)部門啟動(dòng)了上千公里的光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”項(xiàng)目。這一項(xiàng)目于2017年9月29日正式開通。

（7）2016年，中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了全球首顆量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)北京和烏魯木齊之間的量子保密通信，并且在德令哈和麗江之間實(shí)現(xiàn)了距離1200km的大尺度量子非定域性檢驗(yàn)，還在衛(wèi)星和阿里之間實(shí)現(xiàn)了星地量子隱形傳態(tài)。該衛(wèi)星質(zhì)量約640kg，運(yùn)行在高度為500km的軌道上。衛(wèi)星上有4個(gè)載荷：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源、量子試驗(yàn)與控制處理機(jī)，可與地面上相距千公里量級(jí)的兩處光學(xué)站同時(shí)建立量子光路鏈接。

五、量子通訊發(fā)展方向

量子通信技術(shù)發(fā)展成熟后，將廣泛地應(yīng)用于軍事保密通信及政府機(jī)關(guān)、軍工企業(yè)、金融、科研院所和其他需要高保密通信的場(chǎng)合。量子通信未來(lái)有以下幾個(gè)發(fā)展方向：

（1）采用量子中繼技術(shù)，擴(kuò)大通信距離。由于單光子在傳輸過(guò)程中損耗很大，對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸，必須采用中繼技術(shù)。然而量子態(tài)的非克隆原理給量子中繼出了很大難題，因?yàn)榱孔討B(tài)不可復(fù)制，所以量子中繼不能像普通的信號(hào)中繼一樣，把弱信號(hào)接收放大后再轉(zhuǎn)發(fā)出去。量子中繼只能是在光子到達(dá)最遠(yuǎn)傳輸距離之前接收其信號(hào)，先存儲(chǔ)起來(lái)，再讀出這個(gè)信號(hào)，最后以單光子形式發(fā)送出去。量子中繼有很多方案，包括光量子方案、固態(tài)原子方案等。

（2）采用星地通信方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。采用衛(wèi)星通信后，兩地之間的量子通信更加方便快捷。在真空環(huán)境中，光子基本無(wú)損耗，損耗主要發(fā)生在距地面較低的大氣中。

（3）建立量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多地相互通信。量子通信要想實(shí)用化，必須覆蓋多地形成網(wǎng)絡(luò)。國(guó)內(nèi)外都建成了多個(gè)實(shí)用的量子通信網(wǎng)絡(luò)，下一步的發(fā)展是擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)數(shù)，擴(kuò)展通信距離，形成大覆蓋面積的廣域網(wǎng)。