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量子通信原理及应用前景简介 1 传统通信的缺陷与量子通信 现在人们广泛使用着多种通信方式 这些通信技术为人类社会的进步发展提供强大助力 可以说没有这些通信方式就不会有今天人类社会的繁荣局面 但是在这些通信技术手段为人们带来巨大帮助的时候 却始终有一个问题难以得到有效解决 那就是通信中的保密问题 今天 人类已经开发研究出了新的通信技术 量子通信技术 其在理论上是可以保证绝对保密的通信技术手段 这也是今天我向大家讲解介绍的内容 2 传统通信的缺陷与量子通信 传统的通信技术包括最原始的诸如烽火等依靠声光传播信息的手段 以及现代各种有线无线通信手段 如光纤 微波通信等等 除开信使与直接会晤这种效率极低下的通信方式外 其余所有的通信方式都无法真正避免通信内容在通信双方不知情的情况下被窃听者获取 实际中人们利用加密的方式传送信息 发送者通过密钥将需要发送的信息转化为密文 接收者再通过密钥将密文转化为可以直接读取的信息 3 传统通信的缺陷与量子通信 然而这种形式的信息传送也并不安全 首先双方需要分配密钥 传统的信息传送方式除了效率极低的信使或会晤外 都无法避免密钥的泄露 而且几乎所有的密码都存在被破解的可能 因而需要时常更换密码 而现代商业或航天活动中这显然又面临着密钥泄露或密钥难以甚至无法传送的矛盾 4 传统通信的缺陷与量子通信 现代网络商业上常用的是非对称密钥 发送方的密钥是公开的 而接收方的密钥则只有接收者知晓 该体制的安全性是基于大数因式分解这样一类不易计算的单向函数 比如1977年 美国出了一道解密题 其解密需要将一个129位数分解成一个64位和一个65位素数的乘积 估计用当时的计算机需要用4 1016年 但是随着计算机计算能力的不断发展 这样的密码机制变得越来越不安全 上面的那道解密题到了1994年 只用8个月就能解出 尤其是Shor量子算法证明 采用量子计算机可以轻而易举地破译这种公开密钥体系 目前世界上只存在一种被证明无法破解的密码 Vernam密码体制 但是这事实上是一种一次性密码 且密钥长度与密文长度相等 这种密码的实际使用需要传送的绝对保密性 传统通信的缺陷与量子通信 5 传统通信的缺陷与量子通信 随着现代计算机的计算能力的飞速发展 现在的常用密码体制终究有一天会变得无密可言 解决现在的通信保密难题的途径只有两条 即确保通信内容不被己方不知的情况下被窃听 或是使用Vernam体制密码 然而这些都是传统的通信手段所无法做到的 但是 量子通信却可以做到这些 目前 量子通信尚无严格的定义 物理上 量子通信可以被理解为在物理极限下 利用量子效应实现的高性能通信 信息学上 我们则认为量子通信是利用量子力学的基本原理 如量子态不可克隆原理和量子态的测量塌缩性质等 或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属性 以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递 6 量子通信原理简介 量子通信的安全性源于量子力学的基本原理 一是不确定性原理 也称测不准原理 即不可能同时精确测量两个非对易的物理量 如量子的坐标和动量 二是测量塌缩原理 即对量子态进行测量会不可避免地使该量子态塌缩到某一个本征态上 这意味着对量子态进行测量都会留下痕迹 三是不可克隆定理 即一个未知的量子态是无法被精确克隆的 此外还有量子纠缠态 相互纠缠的两个粒子无论被分离多远 一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的现象 7 量子通信原理简介 量子隐形传态所谓量子隐形传态利用了纠缠态粒子之间的特殊 心灵感应 即不论相隔多远 只要两个粒子仍然保持着纠缠态 其中一个发生了变化 另一个一定发生相应的变化 1993年 Bennett等来自四个国家的六位科学家演示了第一种量子隐形传态方案 其过程如下Alice与Bob分别拥有一对纠缠粒子对2 3中的2与3 Alice要向Bob发送消息 Alice对某粒子1的当前状态未知 她将联合测量粒子1与2 因为测量 所以粒子1与2发生了变化 由于2与3是纠缠态粒子 于是3也会发生相应的变化 Alice通过经典信道将测量结果告诉Bob Bob对3进行一系列操作将能得到粒子1的最初状态 8 量子通信原理简介 量子隐形传态需要说明的是 Alice处的粒子1失去其测量前的状态 而远在Bob处的某粒子则获得了粒子1的初始状态 该过程的净结果是粒子1的状态未进过物质传递 转移到了Bob处 粒子2变化的同时粒子3也会发生变化 实验证明纠缠态粒子之间的反应速度 107C 然而量子的隐形传态需要经典信道的辅助传送测量结果 其上的时间消耗与Bob处的操作时间决定了量子隐形传态不可能超光速 9 量子通信原理简介 概率隐形传态在Bennett等人提出的标准量子隐形传态方案中 采用最大纠缠态作为量子通道来传送未知量子态 隐形传态的成功率必定会达到100 但是在实际中由于量子态和周围环境的耦合是不可避免的 所以 作为量子通道的这些最大纠缠态在制备过程中会受到上述及其它因素的影响而很难得到 最终粒子对处于部分纠缠或非最大纠缠态 因此 运用部分纠缠态作为量子通道就具有很大的实际意义 当以部分纠缠态作为量子通道时实现的是概率隐形传态概率隐形传态中需要引入一个辅助粒子 其与粒子3一同操作 最终观察辅助粒子的状态 根据它的状态判断传态是否成功 在量子隐形传态中外界根本无法得到有用的信息 因为粒子2 3只在Alice与Bob手中 窃听者从经典信道中获得了信息也完全无法推出有关粒子1的任何有用信息 即窃听者无法获得Alice与Bob之间传递的信息 量子通信原理简介 10 量子通信原理简介 量子密钥分配前面说到除非经常更换的密码或Vernam体制密码 否则无法保证密钥的安全 经常更换密码则会在信道中泄露密钥 量子密钥分配正是通过确保密钥在传递过程中的安全性实现彻底安全的通信 1984年 来自IBM研究组的Bennett与加拿大蒙特立尔大学的Brassard一起提出了第一个实用性的量子密码通信协议一BB84协议1991年 牛津大学的Ekert提出了E91协议 即EPR协议 1992年 Bennett提出用两个非正交态实现量子密码通信 B92协议基于量子密钥分配BB84协议的通信过程实际上分为两步 第一步 分配密钥 第二步 通过经典信道进行密文传递 11 量子通信原理简介 Alice随机的发送制备的单光子信号 Bob接收到信号以后随机的从两组测量基中选择一组进行测量 如果双方选取的测量基一致 那么双方约定记录测量结果 如果双方选取的测量基不一致 那么双方放弃测量结果 对于记录的测量结果 双方通过公开比对一部分结果 用来确定通信信道的安全性 如果信道安全 那么剩余的光子态可以作为编码比特生成密钥裸码 因为窃听者EVE一旦测量Alice与Bob发送的单光子信号 该单光子的状态就会发生改变 就会导致Bob与Alice发觉 EVE也无法精确复制发送的光子 所以EVE无法进行有效的窃听 密钥的后处理过程包括量子纠错和量子保密放大过程 通过进一步的处理 可以生成安全的量子密钥 12 量子通信原理简介 接下来的密文传送就很简单了 直接使用经典信道传送密文 即使被窃听到了 也不会泄密 因为每次传送的密钥都是不同的 窃听者也完全无法得到有效的密钥 这就保证了通信的绝对保密性 13 量子通信原理简介 窃听者对采用弱相干光源的量子通信系统进行光子数分离攻击 Photon Number SplittingAttack 即对于非单光子情况 窃听者截取携带有相同信息光子群中的部分光子 对于单光子情况则不进行操作 采取这样的攻击方式 在传输距离较长时 10km量级 窃听者的窃听行动所带来的扰动将会被环境扰动所湮灭 即通信者无法察觉信道被窃听 进而通信不安全 为了解决弱相干光源量子通信系统存在的漏洞 2005年 我国学者王向斌和加拿大籍华人学者Hoi KwongLo等人分别提出了基于诱骗态 Decoy State 的量子密码实验方案Cz3 zal 通过控制弱相干光源发送光子数密度随机变化的光信号来判定信道是否被监听 理论上证明即使超过100km 其安全性与用理想单光子源所获最终码等价 14 量子通信原理简介 量子安全直接通信 Quantumsecuredirectcom munication QSDC 是一种不同于量子密钥分发的新量子通信形式 与量子密钥分发根本性区别在于量子安全直接通信在量子信道中直接传递秘密信息 量子安全直接通信的安全性也是基于量子不可克隆原理 量子测不准原理以及纠缠粒子的关联性和非定域等 与量子密钥分发的过程不同 量子安全直接通信过程中 通信双方不需要事先生成密钥 而是通过直接建立量子信道的方式进行通信 从而将一般意义上的量子通信过程简化为一步量子通信过程 即直接完成秘密信息的安全传输 假设测量者测量光子的偏振方向时用对了测量仪器 那么他将能准确得到光子的偏振方向 但如果用错了测量仪器 那么他不但得到是错误的偏振信息 还导致了光子原来信息的的丢失 这种破坏作用是不可逆转的 有了测不准原理作保证 就能检测到量子信道中Eve是否进行了窃听 15 量子通信原理简介 1 基于单光子信道的量子通信基于单光子信道的量子通信 在机理上与经典通信相同的信息传递机制 信息载体 单光子 信息传递信道 光纤 自由空间光 FSO 等物理信道 特点 具有经典通信无法提供的严格安全性 应用方式 量子安全直接通信 QSDCquantumsecuredirectcommunication 量子密钥分发 QKDquantumkeydistribution 量子机密共享 QSSquantumsecretsharing 2 基于光子纠缠对的量子通信其机理是利用粒子纠缠特性而脱离实物的一种信息隐形传递机制 信息载体 纠缠光子对 信息传递信道 跨越时间与空间的 心灵感应 纠缠光子分发物理信道 光纤 自由空间 特点 信息的传递理论上可以超光速 与距离无关 但由于需要经典信息作测量辅助 获取信息的速度并未超过光速 具有经典通信无法提供的严格安全性 应用方式 量子隐形传态 QTquantumteleportation 量子纠缠密钥分发 16 量子通信原理简介 量子通信目前所面临的的难题量子通信是一门新兴且极具前景的学科 其已取得了巨大的成果 但是目前仍面临不少难题 如量子隐形通信中纯纠缠态粒子难以制备 甚至量子隐形通信目前仍处在实验室阶段 通过发送粒子进行密钥分配或直接进行密文传输 会遭受光子数分离攻击 较为成熟的单光子信道通信距离仍然较短 目前最长的记录是约160km 实用率仍然较低 一是通信距离不等于安全距离 许多声称超过100km的系统 理论安全距离只有10km量级 二是通信距离 通信速率 通信质量三者具有相关性 不可能同时达到最大 有的系统通信距离可达l00km 但成码率只有10bit s 17 量子通信发展现状 继Bennett之后 又分别Bouwmeester等人用光子极化 Boschi等人用光学技术 Furusawa等人用光的挤压态以及Nielsen等人用核磁共振 NMR 实现了量子隐形传态 在我国 中国科技大学的郭光灿院士和潘建伟教授等人在这方面取得了重要进展 1999年至2001年 潘建伟和他在奥地利的合作者们首次成功实现了三光子纠缠态 四光子纠缠态 并用它们验证了量子力学与定域实在论的矛盾 潘建伟和他在中国科技大学的同事在2003年首次成功实现了自由量子态的隐形传送 纠缠态纯化以及量子中继器 2004年实现了五光子纠缠和开放目的的量子隐形传态 2006年 首次实现两粒子复合系统量子隐形传态 并在实验中第一次成功地实现了对六光子纠缠态的操控 量子通信原理简介 18 量子通信发展现状 在量子密码理论不断完善的同时 量子密码技术在实验上也取得了很大进展 1989年 IBM公司和蒙特利尔大学合作完成了量子密码学中的第一个实验 利用BB84协议在相距30cm的收发两端实现了对秘密随机比特串的认证 1995年 瑞士日内瓦大学在日内瓦湖底铺设的23km长民用通信光缆中进行了实地演示 2002年 德国慕尼黑大学和英国军方下属的研究机构合作 在德国和奥地利边境相距23 4km的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光成功传输了光子密钥 2004年6月3日 世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行 目前发达国家已经开始进行空 地量子密钥传输的相关理论及实验研究 欧空局 ESA 和美国正在积极开展空间量子密钥分配理论研究和可行性论证工作 19 量子通信发展现状 中科院物理所于1995年对BB84方案首次做了演示性实验 2005年 中国科技大学实现了纠缠光子对通过地面大气13km的自由空间分发实验 该实验表明 纠缠光子在通过超过大气层等效厚度的距离之后 纠缠特性依然能够保持很好 实验中纠缠光子对的最终收集效率或者说衰减为百分之几 远远高于基于人造卫星的自由空间量子通信的信道衰减阈值 这个实验第一次验证了用纠缠光子对进行地面和卫星量子通信的可行性 为未来在天地之间应用量子通信提供了实验数据支持 20 量子通信的前景与展望 前面我们说到了量子通信的绝对保密性 量子隐形传态甚至还具有无障碍通信能力 量子通信的这些优良特性决定了其广阔的无法估量