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量子通訊
目錄
百科名片
基本簡介
研究突破
中國研究
發展史
以實驗駁倒愛因斯坦
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百科名片
量子通訊（Quantumcommunication）是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。量子通訊主要涉及︰量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等，近來這門學科已逐步從理論走向實驗，並向實用化發展。高效安全的信息傳輸r 益受到人們的關注。基于量子力學的基本原理，量子通訊具有高效率和絕對安全等特點，並因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。
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基本簡介
量子通訊系統的基本部件包括量子態發生器、量子通道和量子測量裝置。按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類。前者主要用于量子密鑰的傳輸，後者則可用于量子隱形傳態和量子糾纏的分發。所謂隱形傳送指的是月兌離實物的一種「完全」的信息傳送。從物理學角度，可以這樣來想象隱形傳送的過程︰先提取原物的所有信息，然後將這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元，制造出原物完美的復制品。但是，量子力學的不確定x ng原理不允許j ng確地提取原物的全部信息，這個復制品不可能是完美的。因此長期以來，隱形傳送不過是一種幻想而已。
1993年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳態的方案︰將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個子制備到該量子態上，量子通訊而原來的粒子仍留在原處。其基本思想是︰將原物的信息分成經典信息和量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量中未提取的其余信息；接收者在獲得這兩種信息後，就可以制備出原物量子態的完全復制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態上。
在這個方案中，糾纏態的非定域x ng起著至關重要的作用。量子力學是非定域的理論，這一點已被違背貝爾不等式的實驗結果所證實，因此，量子力學展現出許多反直觀的效應。在量子力學中能夠以這樣的方式制備兩個粒子態，在它們之間的關聯不能被經典地解釋，這樣的態稱為糾纏態，量子糾纏指的是兩個或多個量子系統之間的非定域非經典的關聯。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且可以用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。量子通訊1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子信息的「狀態」，作為信息載體的光子本身並不被傳輸。最近，潘建偉及其合作者在如何提純高品質的量子糾纏態的研究中又取得了新突破。為了進行遠距離的量子態隱形傳輸，往往需要事先讓相距遙遠的兩地共同擁有最大量子糾纏態。但是，由于存在各種不可避免的環境噪聲，量子糾纏態的品質會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，如何提純高品質的量子糾纏態是目前量子通信研究中的重要課題。
國際上許多研究小組都在對這一課題進行研究，並提出了一系列量子糾纏態純化的理論方案，但是沒有一個是能用現有技術實現的。最近潘建偉等人發現了利用現有技術在實驗上是可行的量子糾纏態純化的理論方案，原則上解決了目前在遠距離量子通信中的根本問題。這項研究成果受到國際科學界的高度評價，被稱為「遠距離量子通信研究的一個飛躍」。
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研究突破
據《新科學家》雜志等媒體綜合報道，一支意大利和奧地利科學家小組宣布，他們首次識別出從地球上空1500公里處的人造衛星上反彈回地球的單批光子，實現了太空絕密傳輸量子信息的重大突破。這一突破標明在太空和地球之間可以構建安全的量子通道來傳輸信息，用于全球通信。此研究成果即將發表在《新物理學雜志》（NewJournalofPhysics）上。
意大利帕多瓦大學的保羅•維羅來斯和愷莎爾•巴伯利領導此研究小組，成功地利用意大利名為馬泰拉（Matera）激光測距天文台的1.5米望遠鏡向地球上空1500公里處的r 本阿吉沙（Ajisai）人造衛星發sh 出光子並讓此衛星將這些光子反彈回到了原始出發地。這標志著無法偷听的量子編碼通信可望通過人造衛星來實現。此消息將會大受全球通信公司和銀行的歡迎。
2007年6月，一個由奧地利、英國、德國研究人員組成的小組在量子通訊研究中通過創下了量子通訊通信距離達144公里的最遠紀錄。而要達到更遠的距離很難，因為大氣容易干擾光子脆弱的量子狀態。而巴伯利小組想出了解決辦法，通過人造衛星來發送光子。由于大氣隨高度的增加而r 趨稀薄，在衛星上旅行數千公里只相當于在地面上旅行8公里。
為證實地面能觀測到從軌道衛星上發送回來的光子，此研究小組從意大利馬泰拉（Matera）激光測距天文台的望遠鏡向阿吉沙（Ajisai）人造衛星發sh 出一束普通的激光。阿吉沙（Ajisai）人造衛星由318面鏡片組成，從j ng確的鏡片上反彈回來的單批光子成功地回到了此天文台。
參與此項研究的奧地利維也納的量子光學和量子信息研究所著名量子物理學家安頓•宰林格（AntonZeilinger）認為太空至地球的量子通信是一項可行技術。宰林格正在打造一個人造衛星，用于產生糾纏光子，接收信息並對信息編碼，之後再將編碼的信息反sh 回來，以建立全球量子通訊網絡。
量子通訊是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子通訊學告訴人們，在微觀世界里，不論兩個粒子間距離多遠，一個粒子的變化都會影響另一個粒子的現象叫量子糾纏，這一現象被愛因斯坦稱為「詭異的互動x ng」。科學家認為，這是一種「神奇的力量」，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統的基礎。
量子通訊是經典信息論和量子力學相結合的一門新興交叉學科，與目前成熟的通信技術相比，量子通訊具有巨大的優越x ng，具有保密x ng強、大容量、遠距離傳輸等特點。量子通訊不僅在軍事、國防等領域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經濟的發展。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通訊的研究，研究項目多達12個。r 本郵政省把量子通訊作為21世紀的戰略項目。
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中國研究
中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室的潘建偉教授及其同事，利用冷原子量子存儲技術在國際上首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光縴連接的兩個冷原子系綜之間的量子糾纏。這種冷原子系綜之間的量子糾纏可以被讀出並轉化為光子糾纏以進行進一步的傳輸和量子c o作。該實驗成果完美地實現了長程量子通信中亟需的「量子中繼器」，向未來廣域量子通信網絡的最終實現邁出了堅實的一步。
類比于傳統的電子通訊中為了補償通訊號衰減而進行整形和放大的電子中繼器，量子通訊奧地利科學家在理論上提出，可以通過量子存儲技術和量子糾纏交換和純化技術的結合來實現量子中繼器，從而最終實現大規模的長程量子通訊。量子存儲的實驗實現卻一直存在著很大的困難。為了解決量子存儲問題，國際上人們做了大量的研究工作。比如段路明及其奧地利、美國的合作者就曾于2001年提出了基于原子系綜的另一類量子中繼器方案。由于這一方案具有易于實驗實現的優點，受到了學術界的廣泛重視。然而，隨後的研究表明，由于這一類量子中繼器方案存在著諸如糾纏態對信道長度抖動過于敏感、誤碼率隨信道長度增長過快等嚴重問題，無法被用于實際的長程量子通訊中。
為了解決上述困難，潘建偉、陳增兵和趙博等在理論上提出了具有存儲功能、並且對信道長度抖動不敏感、誤碼率低的高效率量子中繼器方案。同時，潘建偉研究小組與德國、奧地利的科學家經過多年的合作研究，在逐步實現了光子—原子糾纏、光子比特到原子比特的量子隱形傳態等重要階段x ng成果的基礎上，最終實驗實現了完整的量子中繼器基本單元。由于量子中繼器實驗實現在量子信息研究中的重要意義。
作為新一代通信技術，量子通信基于量子信息傳輸的高效和絕對安全x ng，成為近年來國際科研競爭中的焦點領域之一。合肥城域量子通信試驗示範網于2010年7月啟動建設，投入經費6000多萬元。經過中國科學技術大學和安徽量子通信技術有限公司科研人員歷時1年多的努力，項目建成後試運行，各項功能、指標均達到設計要求。該項目2012年3月29r 通過安徽省科技廳組織的專家組驗收，30r 正式投入使用。
具有46個節點的量子通信網覆蓋合肥市主城區，使用光縴約1700公里，通過6個接入交換和集控站，連接40組「量子電話」用戶和16組「量子視頻」用戶。目前主要用戶為對信息安全要求較高的zh ngf 機關、金融機構、醫療機構、軍工企業及科研院所，如合肥市公安局、合肥市應急指揮中心、中國科技大學、合肥第三人民醫院及部分銀行網點等。
合肥量子通信網的建成使用，標志著我國繼量子信息基礎研究躋身全球一流水平後，在量子信息先期產業化競爭中也邁出了重要一步。目前，我國b ij ng、濟南、烏魯木齊等城市的城域量子通信網也在建設之中，未來這些城市將通過量子衛星等方式聯接，形成我國的廣域量子通信體系。
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發展史
1993年，C.nett提出了量子通訊的概念;同年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案︰將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原處。其基本思想是︰將原物的信息分成經典信息和量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量中未提取的其余信息；接收者在獲得這兩種信息後，就可以制備出原物量子態的完全復制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態上。在這個方案中，糾纏態的非定域x ng起著至關重要的作用。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且可以用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。
1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子信息的「狀態」，作為信息載體的光子本身並不被傳輸。
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以實驗駁倒愛因斯坦
在2008年8月14r 出版的最新一期《自然》雜志上，瑞士的5位科學家公布了他們的這項最新研究成果。瑞士科學家表示，原子、電子以及宇宙空間其他所有的微觀物質都可能會表現出異常奇怪的行為，其行為規律可能與我們r 常生活中傳統的科學規律完全背道而馳。比如，物體可以同時存在于兩個或多個場所；可以同時以相反的方向旋轉。這種現象也許只有通過量子物理學來解釋。量子物理學認為，任何事物之間都可能存著某種特定的聯系。發生于某一物體之上的事件，可能同時對其他物體也會產生影響。這種現象稱為「量子糾纏」。不管物體之間的距離有多遠，同樣存在「量子糾纏」的關系。
愛因斯坦堅決反對「量子糾纏」理論，甚至將其戲稱為「遙遠的鬼魅行為」。根據量子力學理論的描述，兩個處于糾纏態的粒子無論相距多遠，都能「感知」和影響對方的狀態。幾十年來，物理學家試圖驗證這種神奇特x ng是否真實，以及決定它的幕後原因。其實，我們可以運用形象化的說明來解釋這種現象。被糾纏的物體釋放出某種不明粒子或其他形式的高速信號，從而對其伙伴產生影響。此前，已有實驗證實傳統物理學領域中某種隱藏信號的存在，從而打消了人們對于這種隱藏信號的種種疑問。但是，仍然有一個奇怪的可能x ng沒有得到證實，即這種未知信號的傳輸速率可能會比光速還要高。
為了證實這種可能x ng，瑞士科學家開始著手對一對相互糾纏的光子進行實驗研究。首先，研究人員們將光子對拆散；然後，通過由瑞士電信公司提供的光縴向兩個村莊接收站進行傳送，接收站之間相距大約18公里。沿途光子會經過特殊設計的探測器，因此研究人員能夠隨時確定它們從出發到終點的「顏s 」。最終，接收站證實每對相互糾纏的光子被分開傳送到接收站後，兩者之間仍然存在糾纏關系。通過對其中一個光子的分析，科學家可以預測另一光子的特征。在實驗中，任何隱藏信號從此接收站傳送到彼接收站，僅僅需要一百萬兆分之一秒。這一傳輸速率保證了接收站能夠準確地檢測到光子。由此可以推測任何未知信號的傳輸速率至少是光速的10000倍。
而愛因斯坦不僅不接受「量子糾纏」的思想，並且還堅持認為不可能存在比光速還要快的信號，任何比光速快的「鬼魅似的遠距作用」都是不可思議的。根據1905年出版的愛因斯坦的相對論，他認為沒有物體的運動速度能夠超過光速。愛因斯坦解釋說，光速屬于自然界的一個基本常數︰對于空間內所有的觀察者來說，光速都是一樣的。同樣是愛因斯坦的相對論解釋說，當物體加速時，物體本身的質量增加，而加速需要能量。隨著物體質量的增加，維持速度所需的能量也更多。當物體以接近光速運行時，愛因斯坦經過計算說，它的質量將達到無限大，所以要使得物體繼續運行的能量也要無限大，而要超過這一極限是不可能的。
而科學家們從實驗中得到的結論，既可以反駁愛因斯坦的「錯誤」觀點，也可以用來解釋同一事物同時出現在不同地點這一奇異現象。愛因斯坦都無法解釋的奇怪行為，正是量子物理學和量子通訊的魅力之處。