第1章

概述量子通信利用量子力學(xué)的基本原理或特性進(jìn)行通信，其信息的載體是微觀粒子，如單個(gè)光子、原子或

自旋電子等。因此，它的工作原理、發(fā)送裝置和接收設(shè)備必定與其它通信方式不同。本章主要講述量子通

信的基本概念、量子通信的類(lèi)型，并簡(jiǎn)要介紹量子通信的發(fā)展現(xiàn)狀。主要內(nèi)容：一

、量子力學(xué)的簡(jiǎn)介二、量子通信的類(lèi)型三、量子通信系統(tǒng)的指標(biāo)四、量子通信的發(fā)展現(xiàn)狀與展望方

法

：

講授、啟發(fā)、討論目

的：

了解量子通信的基本概念及其特點(diǎn)，了解量子通信的類(lèi)型，熟悉量子通信系統(tǒng)的指標(biāo)，理解量子通信

的發(fā)展現(xiàn)狀與展望。時(shí)

間：90分鐘一、量子力學(xué)簡(jiǎn)介理論物理四大力學(xué)物理學(xué)分為普通物理學(xué)(牛頓力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、原子物理與相對(duì)論)和理論物理學(xué)(四大力學(xué)——理論力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)、電動(dòng)

力學(xué)、量子力學(xué))。理論力學(xué)用分析力學(xué)(即拉格朗日力學(xué)和哈密頓力學(xué))觀點(diǎn)處理牛頓力學(xué)問(wèn)題。熱力學(xué)與

統(tǒng)計(jì)力學(xué)研究熱運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和熱運(yùn)動(dòng)對(duì)物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響。電動(dòng)力學(xué)研究電磁場(chǎng)的基本屬性、運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及電磁場(chǎng)和帶電物質(zhì)的相互作用。量子力學(xué)研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一、量子力學(xué)簡(jiǎn)介從宏觀到微觀量子力學(xué)和相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。量子力學(xué)的建立使人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)從宏觀層次跨進(jìn)了微觀層次。(非相對(duì)論)量子力學(xué)相對(duì)論量子力學(xué)量子電動(dòng)力學(xué)量子統(tǒng)計(jì)和量子場(chǎng)論經(jīng)典力學(xué)相對(duì)論力學(xué)

經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)宏觀普朗克常數(shù)h光

速

c高速微觀低速一、量子力學(xué)簡(jiǎn)介經(jīng)典物理學(xué)的困難19世紀(jì)末，經(jīng)典物理已發(fā)展得相當(dāng)完善，那時(shí)，人們認(rèn)為物理大廈已經(jīng)落成，力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、波動(dòng)光學(xué)等問(wèn)題大都已經(jīng)解決，甚至遠(yuǎn)及太陽(yáng)

系中的問(wèn)題也能用經(jīng)典物理學(xué)處理，所剩只是一些修飾工作。但是這些信念隨之受到了沖擊。經(jīng)典理論在解釋一些新的試驗(yàn)結(jié)果上遇到了嚴(yán)重的困難。由此量子力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)典物理學(xué)光的波動(dòng)說(shuō)不能解釋像光電效

應(yīng)這類(lèi)光與物質(zhì)相互作

用的問(wèn)題。經(jīng)典物理學(xué)不能給出原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，也

不能說(shuō)明原子光譜的規(guī)律。經(jīng)典物理學(xué)關(guān)于能量連續(xù)變化的概念不能

解釋黑體輻射的能譜及

比熱對(duì)溫度的依賴。黑體輻射問(wèn)題光電效應(yīng)問(wèn)題原子光譜問(wèn)題量子力學(xué)的誕生1913年玻爾在盧瑟夫原

子有核模型基礎(chǔ)上運(yùn)用量

子化概念對(duì)氫原子光譜作量子的兩條道路：

出了圓滿解釋?zhuān)孔恿W(xué)

取得初步勝利。1913年玻爾1905年愛(ài)因斯坦1900年普朗克

1905年愛(ài)因斯坦為了解釋光電效應(yīng)與經(jīng)典理論的矛1900年普朗克為了克服經(jīng)

盾，提出了光量子，后人1923年德布羅意1923年德布羅意提出了物

質(zhì)波這一概念。認(rèn)為一切

微觀粒子均伴隨著一個(gè)波,這就是所謂的德布羅意

波。1926年薛定諤基于量子性是

微波粒二象性觀體系波動(dòng)性的

反映這一認(rèn)識(shí)，找到了微觀體系的運(yùn)動(dòng)方程，建立起波動(dòng)力

學(xué)，后不久還證明了波動(dòng)力學(xué)

和矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)等價(jià)性。1925年海森堡基于物理理論只

處理可觀察量的認(rèn)識(shí)，拋棄了不可觀察的軌道概念，從可觀察的

輻射頻率及其強(qiáng)度出發(fā)，和玻恩、約爾當(dāng)一起建立起矩陣力學(xué)。1925年海森堡1926年薛定諤1928年的狄拉克提出電子的相對(duì)論性方程一

狄拉克方程，矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)殊途同歸，標(biāo)

志著量子力學(xué)的誕生。典理論解釋黑體輻射規(guī)律

稱之為光子，為量子理論

的困難引入能量子，為量

的發(fā)展打開(kāi)了局面。子理論奠定基礎(chǔ)，他本人也被譽(yù)為量子理論之父。一、量子力學(xué)簡(jiǎn)介1923年玻爾量子力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然實(shí)現(xiàn)了從宏觀世

界向微觀世界的重大飛躍。一、量子力學(xué)簡(jiǎn)介量子力學(xué)科學(xué)家德布羅意愛(ài)因斯坦狄拉克普朗克海森堡薛定諤玻爾泡利玻恩費(fèi)米一、量子力學(xué)簡(jiǎn)介量子力學(xué)的應(yīng)用生命科學(xué)本世紀(jì)的三大熱門(mén)科學(xué)

信息科學(xué)的發(fā)展都離不開(kāi)它。材料科學(xué)并且派生出了許多新的學(xué)科。量子場(chǎng)論

量子電動(dòng)力學(xué)

量子電子學(xué)量子光學(xué)

量子信息學(xué)

量子化學(xué)對(duì)于個(gè)人通信而言，信息安全或許只是個(gè)人隱私之類(lèi)，而對(duì)于軍事、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域而言，通信安全的重要性不言而喻。二戰(zhàn)中，波蘭人和英國(guó)人成功破譯了德國(guó)著名的“恩格瑪”密碼，因此，盟軍提前得知了德國(guó)的許多重大軍事行動(dòng)；美軍破譯日本的高級(jí)密碼———“紫密”,擊斃了

日本海軍大將山本五十六，扭轉(zhuǎn)了美軍太平洋戰(zhàn)場(chǎng)的被動(dòng)局面。對(duì)于目前電子信息時(shí)代，就地球范圍而言，通訊的即時(shí)性不成問(wèn)題，而未

來(lái)距離遙遠(yuǎn)的星際通信就力有不逮。另

一方面自2013年斯諾登“棱鏡門(mén)”事件

以

來(lái)

，給人們敲響了警鐘，信息安全像

窗戶紙一樣脆弱。對(duì)于通信而言，迅捷再加上安全是關(guān)鍵。三、量子通信技術(shù)通信安全可能新技術(shù)：量子通信，量子計(jì)算機(jī)，量子模擬，量子度量學(xué)探索奧秘開(kāi)拓新技術(shù)經(jīng)典世界(確定性)量子世界(概率性)量子力學(xué)是20世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展的臺(tái)柱之一。但是，自量子力學(xué)誕生以來(lái)，科學(xué)界關(guān)于量子力學(xué)基本問(wèn)題一直進(jìn)行著激烈的爭(zhēng)論。竅實(shí)謹(jǐn)慎一點(diǎn)嗎量子力學(xué)你不覺(jué)得使用普通語(yǔ)言

將事物屬注歸結(jié)于上帝時(shí)上帝不會(huì)

冉

激

子

。爭(zhēng)論焦點(diǎn)：自然界是否確實(shí)按量子力學(xué)的規(guī)律運(yùn)行?經(jīng)典力學(xué)：宏觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律量子力學(xué)：微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.1.1

量子通信的基本概念□

量子通信具有無(wú)條件安全性□

量子通信具有傳輸?shù)母咝浴?/p>

可以利用量子物理的糾纏資源量子通信具有無(wú)條件安全性□QKD

利用量子力學(xué)的海森堡不確定性原理和

量子態(tài)不可克隆定理，前者保證了竊聽(tīng)者在

不知道發(fā)送方編碼基的情況下無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量

獲得量子態(tài)的信息，后者使得竊聽(tīng)者無(wú)法復(fù)

制一份量子態(tài)在得知編碼基后進(jìn)行測(cè)量，從

而使得竊聽(tīng)必然導(dǎo)致明顯的誤碼，使得通信

雙方能夠察覺(jué)出被竊聽(tīng)。量子通信具有傳輸?shù)母咝浴?/p>

根據(jù)量子力學(xué)的疊加原理，一個(gè)維量子態(tài)的本征展開(kāi)式有項(xiàng)，每項(xiàng)前面都有一個(gè)系數(shù)，

傳輸一個(gè)量子態(tài)相當(dāng)于同時(shí)傳輸這個(gè)數(shù)據(jù)。

可見(jiàn)，量子態(tài)攜載的信息非常豐富，使其不

但在傳輸方面，而且在存貯、處理等方面相

比于經(jīng)典方法更為高效?？梢岳昧孔游锢淼募m纏資源□

糾纏是量子力學(xué)中獨(dú)有的資源，相互糾纏的粒子之間存在一種關(guān)聯(lián)，無(wú)論它們的位置相

距多遠(yuǎn)，若其中一個(gè)粒子改變，另一個(gè)必然

改變，或者說(shuō)一個(gè)經(jīng)測(cè)量塌縮，另一個(gè)也必

然塌縮到對(duì)應(yīng)的量子態(tài)上。這種關(guān)聯(lián)的保持

可以用貝爾不等式來(lái)檢驗(yàn)，因此用糾纏可以

協(xié)商密鑰，若存在竊聽(tīng)，即可發(fā)現(xiàn)。1.1.2

量子通信的類(lèi)型□

基于QKD

的量子保密通信□

量子間接通信□

量子安全直接通信基于QKD

的量子保密通信□

基于QKD的量子保密通信是通過(guò)QKD使得通信雙方獲得密鑰，進(jìn)而利用經(jīng)典通信系統(tǒng)進(jìn)行

保密通信，如圖下所示。發(fā)送方經(jīng)典保密通信系統(tǒng)密鑰池經(jīng)典輔

助信息基于QKD

的量子保密通信量子信道

量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)接收方經(jīng)典保密通信

系統(tǒng)密鑰池經(jīng)典信道(加密數(shù)據(jù)，QKD輔助信息)量子密鑰分發(fā)

系統(tǒng)經(jīng)典輔

助信息量子間接通信口

量子間接通信可以傳輸量子信息，但不是直接傳輸，而是利用糾纏粒子對(duì)，將攜帶信息的光量子與糾纏光

子對(duì)之一進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給接收方，

接收方根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的酉變換，從而可恢復(fù)

發(fā)送方的信息，如圖下所示。這種方法稱為量子隱形

傳態(tài)

(

QuantumTeleportation),應(yīng)用量子力學(xué)

的糾纏特性，基于兩個(gè)粒子具有的量子關(guān)聯(lián)特性建立

量子信道，可以在相距較遠(yuǎn)的兩地之間實(shí)現(xiàn)未知量子

態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。酉變換或貝爾態(tài)測(cè)量量子信道貝爾態(tài)測(cè)量或酉變換量子信道經(jīng)典信道量子信道糾纏源量子間接通信量子信息或

經(jīng)典信息量子信息或

經(jīng)典信息量子安全直接通信口

量子安全直接通信(

Quantum

SecureDirectCommunications,QSDC

)

可以直接傳輸信息。

通過(guò)在系統(tǒng)中添加控制比特來(lái)檢驗(yàn)信道的安全性。

其原理如圖下所示，量子態(tài)的制備可采用糾纏源或

單光子源。若為單光子源，可將信息調(diào)制在單光子

的偏振態(tài)上，通過(guò)發(fā)送裝置發(fā)送到量子信道。接收

方收到后，進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)控制比特進(jìn)行的結(jié)果

進(jìn)行分析判斷信道的安全性，如果信道無(wú)竊聽(tīng)則進(jìn)

行通信。其中經(jīng)典輔助信息輔助進(jìn)行安全性分析。發(fā)送端控制消息量子信道調(diào)制量子態(tài)制備量子安全直接通信經(jīng)典輔助

信息經(jīng)典輔助

信息解調(diào)

信息安全性分析接收端接收/測(cè)量經(jīng)典信道發(fā)送信息1.2

量子通信系統(tǒng)的指標(biāo)□

1.

量子誤碼率□

2.通信速率□

3.

通信距離量子誤碼率口

量子誤碼率(

Quantum

bit

error

rate,QBER)

是指承載信息的光量子波包中，能用來(lái)使發(fā)送和接

收雙方進(jìn)行有效通信的那部分信息的誤碼率。由于

信道的損耗和接收機(jī)探測(cè)器的效率等原因，使得發(fā)

送的大部分光子不能得到有效的計(jì)數(shù)，而實(shí)際通信

系統(tǒng)中只保留雙方認(rèn)可的那部分比特值。在基于單

光子的QKD

系統(tǒng)中，只有發(fā)送方的編碼基和接收方

的測(cè)量基一致且被接收方測(cè)量計(jì)數(shù)的比特才被留下

來(lái)，進(jìn)一步處理。QBER

就是衡量這部分比特的誤

碼性能。通信速率口量子通信系統(tǒng)的速率隨通信的樣式不同而不同。在量子保密通信系統(tǒng)中，除了加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕?jīng)典通

信速率外，更重要的是密鑰產(chǎn)生速率。衡量不同QKD系統(tǒng)性能時(shí)，往往用密鑰產(chǎn)生率

(

keyrate),其含義是發(fā)送一個(gè)光脈沖，它能形成最后

密鑰的概率。若系統(tǒng)時(shí)鐘為

fs,密鑰產(chǎn)生率為r,密鑰速率為fe,

則有：f.=f

·r。在間接量子通信系

統(tǒng)和量子安全直接通信系統(tǒng)中，通信速率指?jìng)鬏斀?jīng)

典信息

(用經(jīng)典比特表示的信息)或量子信息(用

量子態(tài)表示的信息)的傳輸速率。通信距離□

由于量子信號(hào)不能放大，而且量子中繼器還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，所以通信距離是一個(gè)

重要指標(biāo)。由于量子信道的損耗，隨著通信

距離的增加，量子通信的速率(不是加密后

的經(jīng)典數(shù)據(jù)),通信距離迅速下降，所以實(shí)

際應(yīng)用時(shí)往往要在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。1.3

量子通信發(fā)展現(xiàn)狀與展望□

量子通信發(fā)展現(xiàn)狀□

量子通信發(fā)展展望量子通信發(fā)展現(xiàn)狀□

自從1984

年BB84

協(xié)議出現(xiàn)后，各種協(xié)議不

斷被提了出來(lái)，除了單光子脈沖的偏振自由

度、相位、時(shí)間、頻率自由度也被挖掘了出

來(lái)，從而派生出了各種不同的實(shí)現(xiàn)方法。制

備-測(cè)量型量子通信系統(tǒng)基于單光子，傳輸

信道為單模光纖或自由空間。量子通信發(fā)展現(xiàn)狀口我國(guó)在量子通信起步比較晚，但發(fā)展也很快：1995

年，中國(guó)科學(xué)院物理所在國(guó)內(nèi)首次完成了自

由空間B

B84

量子密鑰分發(fā)協(xié)議的演示實(shí)驗(yàn)。□在國(guó)內(nèi)，2007年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在北京網(wǎng)通公司商用通信網(wǎng)絡(luò)上基于波分復(fù)用器實(shí)現(xiàn)了四用戶

QKD,

又實(shí)現(xiàn)了3個(gè)用戶的誘騙態(tài)量子通信網(wǎng)絡(luò)，并且實(shí)現(xiàn)了量子保密話音通信。

2012年我國(guó)先后建成了“金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)”和“合肥城域

量子通信實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)”,節(jié)點(diǎn)數(shù)目和規(guī)模不斷擴(kuò)大。量子通信發(fā)展展望□

量子通信系統(tǒng)將由專(zhuān)網(wǎng)走向公眾網(wǎng)絡(luò)，目

前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)量子通信系統(tǒng)均是針對(duì)專(zhuān)門(mén)的

應(yīng)用，對(duì)量子信號(hào)的傳輸需要單獨(dú)采用一根

光纖，這樣的話一方面成本較高，另一方面

應(yīng)用范圍受限。為了將量子通信推廣使用，

如何利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳輸量子信號(hào)

與數(shù)據(jù)信號(hào)，克服強(qiáng)光信號(hào)對(duì)單光子信號(hào)的

影

響

，是最近實(shí)驗(yàn)和研究的熱門(mén)課題，已經(jīng)

有了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。量子通信發(fā)展展望□

量子通信網(wǎng)絡(luò)向覆蓋全球發(fā)展，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離

量子通信的一種方法是借助于量子中繼器，

需要采用量子糾纏交換和糾纏純化，由于糾

纏交換成功的概率性使得建立兩個(gè)遠(yuǎn)程終端

之間的糾纏的時(shí)延較長(zhǎng)；另一種方法是基于

衛(wèi)星的量子通信，目前歐洲和我國(guó)都在準(zhǔn)備

開(kāi)展基于衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)，我國(guó)預(yù)計(jì)2016年發(fā)

射量子科學(xué)衛(wèi)星，這樣覆蓋全球的量子通信

指日可待。量子通信發(fā)展展望□

量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展將會(huì)大大促進(jìn)量子通信

的發(fā)展，隨著量子存貯能力的突破和量子

計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，量子糾錯(cuò)編碼、量子檢測(cè)

等技術(shù)的應(yīng)用，量子通信系統(tǒng)的性能將會(huì)得

到很大的提高。四、量子通信系統(tǒng)的指標(biāo)o

1.

量子誤碼率o

2.

通信速率o3.通信距離1.量子誤碼率o量子誤碼率(Quantumbiterrorrate,QBER)是