2021-2022学年高二物理竞赛课件：量子通信原理及应用

1、量子通信原理及应用1提纲理论研究：量子密钥分配、量子密集编码、量子秘密共享、量子直接通信实验研究：单光子源和单光子探测器、量子密钥分配实验、空间量子通信系统、量子秘密共享实验、2量子密码通信的研究内容理论研究：量子密钥分配、量子信息论、量子纠错码、量子密集编码、量子秘密共享、量子通信复杂度、量子通信网络的协议与模型等以及量子通信与经典现代通信网络结合分析等。应用方面：量子信号的产生、传输、存储、检测和接收、量子中继、实用量子密钥分配方案、量子信号与经典信号的并行传输、利用量子通信实现通信网络等。3量子通信的研究意义(1) 量子计算机会破译现在通用的公钥密码系统；(2) 量子密钥分配为信息的安全

2、传输提供了保证；(3) 量子密码学在技术上是可行的 ，可用现有 的通信系统实现 。特点： 可以发现窃听者；无条件安全性（由不确定原理、非克隆定理 、纠缠粒子的非局域性保证）。4量子保密通信的研究状况科研2001年，德国、英国科学家在自由空间传输量子态的距离达到了23.4km。 2004年，中国科技大学研究人员实现了150km室内量子密钥分配实验，并在网通公司的光纤中实现了125km的量子密钥传输2007年，欧洲联合研究组在自由空间中实现了纠缠态光子的144km距离的量子通信。意大利和奥地利科研小组，首次识别出从地球上空1500km处的人造卫星上反射回地球的单光子，实现了太空传输量子信息的重大突

3、破。这一突破表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。Reference: Ludwig-Maximilian University, Max-Planck-Institut fr Quantenoptik, Vienna University, European Space Agency, Bristol University5Free-Space distribution of entanglement and Single photons over 144 kmLa Palma:Overview of Roque with Tenerife in backgrou

4、ndLa Palma from TenerifeOverview of Izana (Tenerife) site OGS with mount Tiede in backgroundOptical ground station Tenerife量子保密通信的研究状况应用2002年，瑞士日内瓦大学-光纤中量子密码通信距离为67km。MIT于2001年发布了建立量子互联网的详细计划，并宣称已具备建立量子互联网的技术。该计划打算在三年内建成量子互联网，并首先在麻省理工学院建立3个节点。日本从2001年开始十年内投资400亿日元实施“量子通信技术”计划。研究课题有无法破译的密码技术、量子通信所需要的

5、超高速量子计算机和传输技术。并计划在20202030年使保密通信网络技术达到实用化水平。2004年6月3日，美国防高级研究计划局资助开发的世界上第一个量子密码通信网络在马萨诸塞州剑桥城投入运行实验。这套网络目前有6个节点，通过普通光纤传输量子密码加密的数据，与现有互连网技术完全兼容，网络传输距离约为10千米。2008年，奥地利的科研人员正在完成覆盖欧洲的量子网络通信。2009年，安徽量子政务网和量子电话网络投入使用。 科学家们希望未来能够实现1000千米的量子密码传输，这样就可以利用卫星来传递量子保密信息，并在全球范围内建立起保密的信息交换体系。8经典密钥分配过程9量子通信过程量子密钥分配 明文量子密钥分配： Quantum key distribution量子机密共享： Quantum secret sharing量子直接通信： Quantum direct Communication量子远程传态： Quantum teleportation10量子不可克隆原理Quantum No-cloning Theorem11量子态叠加原理Quantum superposition principle12关键技术单光子捕获技术，减少自然光对通信的影响空域滤波频域滤波时域滤波时间同步技术依靠与数据脉冲不同波长的周期明亮脉冲锁定时刻中继技术，量子中继器的应用空