钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件

第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科学实验卫星简介华东师范大学钱振华第二次量子革命1钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件22019年8月16日1:40,我国发射了世界上首颗量子科学实验卫星,命名为“墨子号”;2019年12月,我国将建成量子通信京沪干线,这也是世界上第一条长距离量子通信光纤试干线。这两大工程,是量子通信跨入应用实验的一小步却可能是人类进入量子通信新时代的一大步,很可能是开创量子信息时代的标誌性工程。2019年8月16日1:40,我国发射了世界上首3什么是量子通信?它的主要特征是什么?运用的主耍物理原理是什么?什么是量子通信?4(一)传统加密通信1,基本方法对称密码制、非对称密码制密制收发用同一密码公钥与私钥次一个密钥例:101000+110000=011000(二进制)明文:2*日*来*金*华密文:28日密来送金阿华密钥:偶数字符无效注意:实际密钥所用数学方法极其复杂(一)传统加密通信52,缺点★长期用同一密钥(编码规则)极易破译★经常改变密钥,密钥如何传送,传送过程极易被敌方截获,加大保密程度成本极高;★非技术性泄密环节多,间谍性破坏洩密等。最好一次一密钥,传送成难题远距离通信基本不可能!2,缺点6(二)量子通信量子通信是一种加密通信,主要特征是运用了量子信息技术进行加密的一种新的加密通信。量子密码比经典密码不易破译,大大加强了通信的安性口它的信息传输还可以是原有的经典通道,信息传输速度不会超过光速,密钥传输则通过量子通道。■所用量子力原理主要是1、量子态的叠加原理;2、粒子的量子纠缠(二)量子通信7远程量子通信,用一次一密(钥)方案证实是安全的这一加密方案是由FrankMiller在1882年提出,并在1917完善,是一种简易的对称加密(收发双方用同一密钥)方案。例如明文为101000,加密钥110000形成01100密文(以2为模,只取6位为例)发送,接收者收到密文后再减密钥,还原得明文。双方都用一个密钥。但是每送一明文都要随机产生与明文同长的密钥,只用一次,下一段明文用另一个密钥。故称一次一密(OnePad这个方案虽然简单可靠,但是密钥可信的交接却是大问题:密钥要预先商定制备在物件上可机械地传送,为着不泄漏,后勤管理就很昂贵。TheKeyDistributionProblemAliceTrustedKeyExchangeBobKeymustbeprinted,craftedorsavedonaphysicalobjectoKeycouldbecopiedduringmechanicaltransportaKeytransportislogisticalexpensiveEt口远程量子通信,用一次一密(钥)方案证实是安全的8量子密钥通信示意Alice经典信通道BobRandomRandomModulation量子通道Modulation一米一米一来PhotonEOMEOMAPBSInput(InformationCarrier)iThecontentandthesenderofthepublicchannelmessagesmustbeverifiable84:twostatesforencodingandtwostatesforrandomizing1984年Bennet和Brassard提出了一种量子密钥分发方案称BB84协议。经典信道用来传送密文,双向工作可相互检验,量子通道用来传送密钥,是单向的由发送方,送给接收者。密钥用单光子形成(现在制成纠缠的光子对),光子极化(偏振)成两类;一类是正交型(上下为度为“1”,135度为“0”)两类光子中两个状态是编码的另两个状态是随机的。用这样制成的密钥,A1lce一方面加密明文通过经典信道送给Bob,同时把密钥经量子信道送给Bob。Bob接收到密钥,并不把收到的结果回送给Alice验证,而是告诉Aice他接收密钥时检察极化的设置情况,Alice肯定Bob的设置正确后,密钥传送成功如果有人窃听,根据量子力学原理,量子状态破坏,密钥也被破坏,发送者接收者立刻发现有所需实现的通者持续捣乱,不是通信就中断了吗?!上述只是简要原理,实际上因为密码有部分是随机生成Bob和Alice之间密码正确的验证要用概率计算来判断,噪声,干扰都会影响概率。在强干扰中通信也会失效。量子密钥通信示意9几种量子信道的比较,地面优点:空间自由,灵活方便缺点:背景光干扰(特别城市),传播介质不稳定如雾等,地球是圆的直线距离2,光缆:优点:光缆中的信号受环境影响少,虽然不是可移动的通信但也还灵活,商品化缺点:光缆衰减大概只能到达100公里附近3,卫星;由微波通信和电视所取得的经验,很自然想到选择卫星。利用卫星也将验证量子纠缠带到太空,超过目前实验最大的距离。(地面上已验证的距离约一百多公里,而卫星通过地面站可扩展到十倍远)Anexampleschemata:oSatellitegeneratesentangledsinglephotonpairoOnephotonforeachreceiverEarthoEachreceivermeasuresthephoton9Throughentanglementmeasurementsarecorrelated几种量子信道的比较10钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件11钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件12钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件13钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件14钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件15钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件16钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件17钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件18钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件19钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件20钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件21钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件22钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件23钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件24钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件25钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件26钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件27钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件28钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件29钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件30钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件31钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件32钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件33钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件34钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件35钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件36钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件37钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件38钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件39钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件40钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件41钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件42钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件43钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件44钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件45钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科课件