量子通信的概况

摘 要：量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式.量子通信的起源是爱因斯坦的著名论文,EPR效应.尽管论文本身是针对量子力学基础问题,但是却引发了大半个世纪的争论与验证.同时对问题本身的探讨,也促进了量子通信的发展.即将引发人类历史上又一通信革命.

关 键 词：量子通信定义量子通信理论由来驳倒爱因斯坦的实验论据

一、量子通信定义

量子通信（QuantumTeleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式.量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域.量子通信主要涉及：量子通信、量子远程传态和量子密集编码等,近来这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展.高效安全的信息传输日益受到人们的关注.基于量子力学的基本原理,量子通信具有高效率和绝对安全等特点,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点.

二、量子通信理论由来

“1935年5月的一天早晨,爱因斯坦像往常一样准时来到普林斯顿高等研究院的办公室.他来普林斯顿小镇快两年了,已经熟悉并开始喜欢这个恬静的“室外桃园”.办公桌上放着他和助手波多尔斯基、罗森一起刚刚发表在《物理评论》上的论文.他拿起来看了看,脸上露出孩子般顽皮的微笑――这回他终于可以战胜老对手玻尔了.与此同时,在大西洋彼岸的哥本哈根大学玻尔研究所,爱因斯坦的文章立刻引起了物理学家玻尔的关注和不安.这对他来说简直是个晴天霹雳!玻尔立刻放下所有的工作,他说：‘我们必须睡在问题上.’爱因斯坦和玻尔是20世纪两位最伟大的物理学家,他们都为量子理论的建立做出了奠基性的贡献.然而,他们对于这个理论的含义却一直争论不休.这一争论被称为‘关于物理学灵魂的论战’.”――引自郭光灿院士《爱因斯坦的幽灵：量子纠缠之谜》.

郭光灿院士书中所指的“物理学灵魂”的论战,与“量子纠缠”现象有着莫大的关系.在量子力学中,有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系,不管它们被分开多远,只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子,即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远,都能“感知”和影响对方的状态,这就是量子纠缠.尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在,但却不愿意接受它,并斥之为“幽灵般的超距作用（spookyactionatadistance）”.

三、驳倒爱因斯坦的实验论据

对EPR实验的验证始于1960年,在1980年终于获得有说服力的结果.这些是实验大多都是以光子来做为自旋关联.主要是利用院子的级联辐射,选择出光子动量为0的情形.1982年,法国物理学家艾伦•,爱斯派克特（AlainAspect）和他的小组成功地完成了一项实验,证实了微观粒子“量子纠缠”（quantumentanglement）的现象确实存在,这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击.它证实了任何两种物质之间,不管距离多远,都有可能相互影响,不受四维时空的约束,是非局域的（nonlocal）,宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系.

四、突破传统的通信方式

1993年,C.H.Bent提出了量子通信的概念,同年,6位来自不同国家的科学家,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处.在量子通信系统中,共享信息的两个人必须共享几乎一致的两个成对产生并永远缠结在一起的光子.一旦信息被带到第一个光子上,它将会消失并重现在第二个光子上,以实现不加外力方式传输信息.不加外力传输的概念是以量子物理学为基础的,它所使用的是具有波、粒两重性但没有电荷和质量的光子,而不是常规使用的电子.在量子通信中,报文是以不加外力传输方式传输的.不加外力传输方式就是使信息在一个地方消失,从而使其能在另一个地方出现的过程.它不需要通过空中、太空或线路传输.在这一过程中,发送者与接收者共享所需光子的数量,决于所发送报文的长度.在量子通信中,由于光子只能成对产生,因此,所有量子的不加外力方式只能在一个发送者和一个接收者之间进行.如果接收者需要将报文传送给其他人,则每次必须共享和使用缠结在一起的新的一对光子.因此,量子网络必须一个链路一个链路地建立.

利用量子信息技术之一量子术,可实其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者.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；接收者在获得这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品.该过程中传送的仅仅是原物的量子态,而不是原物本身.发送者甚至可以对这个量子态一无所知,而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上.在这个方案中,纠缠态的非定域性起着至关重要的作用.量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义,而且可以用量子态作为信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信.

五、量子通信的发展状况

量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性,不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景,而且逐渐走进人们的日常生活.

为了让量子通信从理论走到现实,从上世纪90年始,国内外科学家做了大量的研究工作.自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来,美国国家科学基金会、国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究,欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究,研究项目多达12个,日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目.我国从上世纪80年始从事量子光学领域的研究,近几年来,中国科技大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩.

2006年夏,我国中国科技大学教授潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学―维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案,同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验,由此打开了量子通信走向应用的大门.2008年底,潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统,在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子网,成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一（另一小组为欧洲联合实验团队）.