赵 浅谈量子通信原理及应用前景ppt课件

浅谈量子通信原理及应用前景 物电1203班 赵中立 01 02 03 04 传统通信与量子通信 量子通信原理简介 量子通信发展现状 量子通信的前景与展望 目录 contents 1 传统通信与量子通信 新旧对比 颠覆传统 传统通讯 基于经典物理学原理 目前已经有着非常完善的标准与运作标准 01 02 基于量子物理理论设想 正走在实践的路上 03 谁主沉浮 量子通讯 PK LOREMIPSUMDOLOR 传统通讯 古代的烽火台 击鼓 驿站快马接力 信鸽 旗语等 现代的电信等 古代的通信对远距离来说 最快也要几天的时间 而现代通信以电信方式 如电报 电话 快信 短信 E MAIL等 实现了即时通信 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 传统通讯缺陷 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 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 通讯安全危机 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 面对通讯安全危机这一隐形的可怕怪物的步步紧逼 我们人类的未来通讯该何去何从 解决办法 量子通讯 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 2 量子通信原理简介 量子化的未来 1 不确定性原理 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 2 测量塌缩原理 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 3 不可克隆定理 一个未知的量子态是无法被精确克隆的 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 量子通信的安全性源于量子力学的基本原理 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 量子隐形传态 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 量子密钥分配 前面说到除非经常更换密码或采用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 BB84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 量子通讯目前的困境 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 3 量子通信发展现状 在路上 基于单光子信道的量子通信 基于光子纠缠对的量子通信 量子安全直接通信 量子隐形传态 量子纠缠密钥分发 量子通信 国外近代情况 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 国内近代情况 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 国内最新情况 中国科学技术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 中国科学技术大学教授潘建伟 彭承志 陈宇翱等人 与中科院上海技术物理研究所王建宇 光电技术研究所黄永梅等组成联合团队 于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发 2013年10月 中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在高维量子信息存储方面取得重要进展 该实验室史保森教授领导的研究小组在国际上首次实现了携带轨道角动量 具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系综中的存储与释放 这项研究成果在线发表在 自然 通讯 上 国内最新情况 阿里云联手中科院利用量子通信加密云计算安全 在2015云栖大会上 阿里云与中科院旗下国盾量子联合发布了量子加密通信产品 目前 双方已在阿里云网络环境建立了多个量子安全传输域 QuantumPortal 通过量子传送门实现同城数据中心互联组网 据双方介绍 最新的进展是阿里云量子通信产品已用阿里业务完成小规模测试 可实现到达 保密 组网 密钥分发的功能 今年将正式把合适的阿里业务切到量子安全域 进行规模化验证 同步进行开服的准备工作 国内最新情况 阿里巴巴集团首席技术官王坚博士说 量子加密通信远远不只是一种全新的加密手段 将是新一代网络信息安全解决方案的关键技术 让我们的互联网在未来50年都能更加安全 在现阶段 云服务和量子加密技术的结合是将这一昂贵的技术普遍的大规模应用于商业场景的唯一途径 在今年7月底 阿里云在上海宣布联合中科院成立一个全新的实验室 共同开展在量子信息科学领域的前瞻性研究 4 量子通信的前景与展望 光明与黑暗并存 前景 前面我们