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文档简介
1、量子通信一 经典通信系统模型经典通信系统可以用下图所示的模型描述。噪声信源编码信道译码信宿 信源(Information source):指产生消息的源泉。信息总是一个物理系统,其形态随空间坐标或时间变化。 空间信源(space source):系统随时间改变形态,它生产在空间传输的信号,这样的物理系统称为空间信源。 时间信源(time source):系统空间各部分有不随时间变化的不同的分布,它可能引起信号在时间中传输,这样的系统称为时间信源。 编码(Encoding):对信源进行处理,以提高信源传输的有效性和可靠性。 信道(Channel):传输消息的媒介称为信道。 噪声(Noise):
2、在传输过程中,由于干扰使编码的物态发生畸变。引起编码物理态畸变的各种因素称为噪声。 译码(Decoding):由信道输出物态恢复信源输出的消息的过程叫译码。 信宿(Destination):是消息传输的归宿和的地,即接收消息的人或仪器。量子信息通信简介量子信息科学是物理学与信息科学交叉融合产生的新兴学科领域,涉及物理、计算机、通信、数学等多个学科,对带动这些学科的发展具有重要意义。量子信息学为未来信息科学的革命性变革提供了可靠的物理基础。量子信息技术在运算速度、信息安全、信息容量等方面可突破传统信息系统的极限。一量子信息通信物理基础1. 量子位(Quantum Bit: qubit)在经典信息
3、理论中,信息量的基本单位是比特(bit),一个比特是给出经典二值系统一个取值的信息量. 例如,0,1在量子信息理论中,量子信息的基本单位是量子比特(qubit)。一个qubit是一个双态量子系统,即两个线性独立的态,常记为:|0和 |1。以这两个独立态为基矢,张成一个二维复矢量空间,即二维Hilbert空间。量子位的物理载体: 光子: |R: 右圆极化偏振光, |L: 左圆极化偏振光。 自旋1/2的粒子: |0,|1 二能级原子: |g,|e迭加态: |a|2, |b|2分别为测量时得到|0,|1的几率。n个qubit态:张成一个2n的Hilbert空间,有2n个相互正交的态: , i是一个n
4、位二进制数。例如:3个量子位有8个量子态:|0, |1, |2, |3, |4, |5, |6, |7|000, |001, |010, |011, |100, |101, |110, |111n个量子位的一般态表示为:。2量子门量子信息处理是对编码的量子态进行一系列幺正演化,对量子位最基本的幺正操作称为逻辑门。经典门: ORAND、CAND、NOT等 通用门组:OR ,NOT, AND, NOT等。量子门:U |a U|a 一位量子门U |a |a 二位量子门 |b |bU |a |a 三位量子门 |b |b |c |c(1) 几种典型的一位量子门1) 恒等门(I): |0 |0|1 |12
5、) 非门(X): 3) Pi相位门(Z):4) 位相位反转门(Y):5) Hadamard门(H): (2)二位量子门 两量子门是作用在二个量子位上的么正变换,它的最有意义子集是: 第一位是控制位,第二位是靶位。当U门是非门时,上述门称为控制非门。 仅当第一位是|1时,第二位才反转。线路图: a a b ab在这组基下,C-NOT的矩阵表示:(3)三位量子门控制控制非门(T) a a b b c cab T门的矩阵表示:3量子信息的特征量子信息是用量子态编码的信息, 量子态具有经典物理态没有的特殊性质,使得量子信息具有和经典信息不同的新特点:未知的量子态不能克隆(No-Cloning)、存在纠
6、缠量子态。1)量子No-Cloning定理 如果|和|是两个不同的非正交态,不存在一个物理过程可以作出|和|两者的完全拷贝。 一个未知的量子态不能被完全拷贝。 要从编码在非正交量子态中获得信息,不扰动这些态是不可能的。2)隐匿的量子信息对于两量子位系统, 若对第一个量子位施加H操作,着对第二个量子位施加取第一个量子位作为控制位,第二个量子位作为靶位的控制非门操作,H |0 |0 则可对系统作如下的变换:当输入态是|00时:当输入态是|01态时:当输入态是|10态时: 当输入态是|11态时: 由上面的变换可以看到,由二量子位的乘积态经上述变换操作后,可得到的四个纠缠态,它们是最大纠缠态,通常称作
7、Bell态。由于是四个互相正交态,可以用这四个态编码2 bit的经典信息。一个bit用来区分或, 另一个bit用来区分叠加态中的1号,这二比特信息不同于储存在|0或|1中的信息,通过局域测量每个量子位,将不能提取编码在Bell基中的信息,因而称上述信息为隐匿信息。3) 稠密编码量子位可以用来储存、传输经典信息。例如为了传输一个经典串(10010),Alice可以发送5个qubit给Bob,这五个量子位依次制备在态|1,|0,|0,|1,|0态。当Bob接收到这些量子位时,使用基底|0,|1测量每个量子位,测量结果毫不含糊地得到位串(10010),人而就可提取出Alice编码在其中的信息。这种通
8、信方式和经典通信没有实质性差别,发送一个量子位,不可能传输多于一个经典bit信息。但是使用纠缠现象可以实现只传送一个量子位,而传输2bit的经典信息。该现象称为稠密编码。4) 量子隐形传态(Teleportation)利用量子纠缠现象,可以实现不发送任何量子位而把量子位的未知态(即这个态包含的信息)发送出去。由于在发送过程中,每一步的操作都是线性的,所以对任意的纯态和混合态都适用,原则上可以传输任意复杂的量子态。1993年,Bennett等4个国家的6位科学家联合提出的是一种量子隐形传态(Quantum teleportation)的方案,其基本思想是:为实现传送某个物体的未知量子态,可将原物
9、的信息分成经典信息和量子信息两个部分,它们分别经由经典信道和量子信道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。接受者在获得这两种信息之后,就可制造出原物的完美的复制品。在这个过程中,原物并未被传给接收者,它始终留在发送者处,被传送的仅仅是原物的量子态,发送者甚至可以对这个量子态一无所知,而接收者是将别的物理单元(如粒子)变换成为处于与原物完全相同的量子态,原物的量子态在发送都进行测量及提取经典信息时又遭破坏。因此,这是一种量子态的隐形传送,最终恢复原物量子态的粒子也可以不必与原物同类,只要它们满足相同的量子代数即可。由于经典信息对量子态
10、的隐形传送是必不可少的(否则将违背量子不可克隆定理)而经典信息传递速度不可能快于光速,因此,量子隐形传态也不会违背相对论的光速最大原理。二.应用前景1.实现不可解密码通信通信的信息若在传输途中被窃听,就会导致其性质发生变化,从而实现通信不可被窃听。将来,当量子计算机进入实用化阶段并被用作通信节点以后,便可以在整个网络进行量子信息通信,从而实现终端到终端(End To End)不可被窃听的通信。量子密码的安全性由量子力学原理所保证。窃听者的基本策略有两类:一是通过对携带着经典信息的量子态进行测量,从其测量的结果来获取所需的信息。但是量子力学的基本原理告诉我们,对量子态的测量会干扰量子态本身,因此
11、,这种窃听方式必然会留下痕迹而被合法用户所发现。二是避开直接量子测量而采量子复制机来复制传送信息的量子态,窃听者将原量子态传送给乙,而留下复制的量子态进行测量以窃取信息,这样就不会留下任何会被发现的痕迹。但是量子不可克隆定理确保窃听者不会成功,任何物理上可行的量子复制机都不可能克隆出与输入量子态完全一样的量子态来。 目前美、英、瑞士等国正致力于这方面的研究并在实验上取得重要进展,已经在光纤上实现67公里的密钥传送,在自由空间中实现10公里的密钥传送。西方国家的目标是在近5年之内实现量子密码实用化。目前在技术上遇到的主要困难是:如何增加量子密钥传输距离。有待突破的重要关键技术:一是红外(1.3微
12、米、1.5微米)单光子探测器。这是因为光纤量子密钥传输是采用单个光子来实现的,光纤损耗阻碍着传输距离的提高,1.3微米和1.5微米是现在所使用的光纤损耗最小的波长,现有成熟的单光子探测器工作波长在可见光,理论上光子在光纤中传输的极限距离约为20公里。因此实用的红外单光子计数器成为关键性问题,二是单光子光源,现在量子密码研究中所使用的单光子光源是将相干光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0.1 0.2个光子,这是一种近似的单光子源,其效率低,既影响量子密钥的传输距离,又影响其安全性,因为这种光源有可能在一个脉冲中同时出现两个光子。因此研制真实的单光子源成为量子密码研究的另一个关键性问题。美国、日本、西欧
13、正在大力开展这些关键技术的研究,最近在自然、科学上也报导了一些重要进展,但仍未获得根本上的突破。 2. 实现超高速通信。由于传输单位为量子,因此理论上可以实现接近无限高速的数据量传输。与目前利用光的波动性进行的现行光通信相比,由于所消耗的功率降低,因此也可以应用到卫星通信等领域。 现有的光通信技术是根据光的强弱用“0”或“1”表示数字信号,而量子通信则是用光子承载信息,通过光纤传输出去,其传输量将比现在的光通信技术在光纤的传输量增加上千万倍,100万个电影的信息量在1秒钟内就可传送出去。若把这种通信线路连成网络,庞大的声像信息就可迅速无阻地传递。3.量子因特网量子隐形传态所传送的是量子信息,它
14、是量子通信最基本的过程。人们基于这个过程提出实现量子因特网的构想。量子因特网是用量子通道来联络许多量子处理器,它可以同时实现量子信息的传输和处理。相比于现在经典因特网,量子因特网具有安全保密特性,可实现多端的分布计算,有效地降低通信复杂度等一系列优点。目前学术界正在致力于研究量子通信网络的关键技术,如高亮度纠缠源、纠缠操作和纯化、量子中继和量子处理器等,并不断地取得重要的进展。相信在不久的将来,一种新颖的通信方式将会展现在人们的面前,发挥出奇特的作用。目前,美国、欧盟和日本都在开发量子通信技术。日本总务省决定从2001年度开始,由企业、科研院所和政府联手,合作研究传输速度为目前通信速度1000
15、万倍的新型超高速光通信技术量子信息通信,预计2010年完成该课题。也要奋起直追。 目前,研究人员已利用现有技术,在实验室实现了40千米“远距传输”。但这项技术也有其局限性,由于任何误操作都将销毁信息,发送方需通过常规通信方式与接收方联系并提供密钥,且一条信息在同一时间只能传给一个接收方。美国防部正在制定量子信息科学计划,以开发在战场和全球进行“远距传输”(teleportation)的技术。该计划由美国陆军研究办公室协调,由陆军、国家安全局、国防高级研究计划局等共同投资,计划包括34个子项目,有21个大学和5个实验室参加.三.研究内容1.量子态的制备和操纵量子态是信息的载体,量子信息的加工处理
16、归根到底是一种量子态的操纵过程。因此,人们期望按照自己的意愿实现对量子态的制备和操纵,以达到特定的目的, 这就是所谓的量子态工程.1) 光场量子态的制备制备光场量子态的方法主要有两种:第一种方法是寻找一个适当的哈密顿量,使光场作一个特定的么正变换而演化到所期待的量子态在数学上,总可以找到一个适当的哈密顿量,使光场演化到一个特定的量子态但在物理上能够实现的哈密顿量却很有限,因而这种方法有比较大的局限性 另一种方法是利用量子纠缠2) 多原子最大纠缠态的制备一个双能级原子等同于一个自旋为1/2的粒子,而且对原子的探测效率可基本上达到100%此外,原子在空间上容易分开因此,如何将多个原子制备到最大纠缠
17、态是一个十分有趣的课题多原子纠缠态的任意操纵还是实现量子计算机的基础因而,各种多原子纠缠态的制备与操纵对推动量子信息科学的发展有着重要的意义3) 囚禁离子质心运动量子态的制备一个被囚禁的离子可看作一个具有量子化质心运动的谐振子当一个囚禁离子的内态受到经典激光场激发时,离子的动量也同时发生改变这时,离子的内、外自由度发生耦合囚禁离子的上述特征使得人们有可能通过调节经典场的参量(经典信息)来控制离子运动的量子态(量子信息)2. 量子信息学的基础理论 1)量子信息学的物理基础。重点研究量子纠缠、量子非局域性、量子测量、量子不可克隆性等基础理论。 2)量子编码。重点研究宏观多体体系消相干的物理过程和数
18、学描述;研究具有更高效率、更强克服消相干能力的纠错、避错、容错的量子编码方案,以解决量子计算可靠性问题;研究构造无消相干子空间实现量子计算的方案。 3)量子算法。重点研究新的量子算法,如将更多属于经典复杂性理论中的难解(NP)问题变成量子计算的易解(P)问题;开拓Shor算法和Grover算法等新的应用范围。 4)量子信息论。重点研究计算和通讯的复杂性理论,量子密码信息论,量子图灵原理和量子香农定理等。 3. 量子通信 1) 量子密码及新型量子安全体系的研究。重点解决将现有点对点的量子密码技术推向实际应用的关键性问题,如密钥检测、噪声通道对密码安全性的影响及克服办法等,以期尽早实现量子保密通信的实用化;提出并实现新的网络密码方案,为建立局域网量子保密通信打下基础;研究新型量子安全体系,如多维态或连续态的量子密码、量子身份识别等。 2) 量子隐形传态(Teleportation)的理论和实验研究。 重点解决有效测量光子Bell态的问题,实现光子态的量子隐形传态;研究并实现连续量子态的隐形传送;提出兼备信息传输和处理功能的新型量子通信的原理和方法。 3) 量子概率克隆的实验研究。提出光子态量子概率克隆机的方案,并在实验上演示成功;研究量子概率克隆应用于量子信息提取和量子态识别的途径;研究量子概率复制的原理和实验方案。 四我们的研究方向和下一步计划量子纠缠是量子隐形
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