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          量子通信是什么?
          發布時間:2017-03-21 來源:鄂州市科學技術協會

            物理上,量子通信可以被理解為在物理極限下,利用量子效應實現的高性能通信。


            量子通信是量子信息學的一個重要分支,是量子信息中研究較早的領域。量子通信具有絕對保密、通信容量大、傳輸速度快等優點,可以完成經典通信所不能完成的特殊任務。量子通信可以用來構建無法破譯的密鑰系統,因此量子通信成為當今世界關注的科技前沿。量子通信是以量子態作為信息元實現對信息的有效傳送。它是繼電話和光通信之后通信史上的又一次革命。


            量子通信的基本思想主要包括兩部分:一為量子密鑰分配,二為量子態隱形傳輸。


            量子態隱形傳輸


            量子態隱形傳輸一直是學術界和公眾的關注焦點。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;而量子通道是指可以保持量子態的量子特性的傳輸通道。(比如說,保偏光纖對于光子的量子偏振態而言就是一種量子通道。但在量子態隱形傳輸態中,量子通道的角色是由雙方共享的量子糾纏態所擔任的。)接收者在獲得這兩種信息后,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。


            當隱形傳輸的量子態是一個糾纏態的一部分時,隱形傳輸就變成了量子糾纏交換。利用糾纏交換,可以將兩個原本毫無聯系的粒子糾纏起來,在它們之間建立量子關聯。


            隱形傳態和糾纏交換可以把物體的量子信息在瞬間精確無誤地傳送到遙遠的地方,這看起來很像科幻電影中的瞬時傳送,或者電子游戲中的傳送門之類的神奇功能。當然,在我們能夠把生命完全分解成量子信息和經典信息,并建立足夠多的糾纏資源之前,傳送門還只是個美好的幻想。不過,隱形傳態和糾纏交換并不僅僅是一個用來憧憬美好幻想的奇妙現象,利用它們可以實現超遠距離的量子密鑰分配,為全球范圍的通信加上一把安全的“量子鎖”。


            量子密鑰分配


            量子密鑰分配不是用于傳送保密內容,而是在于建立和傳輸密碼本,即在保密通信雙方分配密鑰,俗稱量子密碼通信。


            1984年,美國的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84協議,即用量子比特作為信息載體,利用光的偏振特性對量子態進行編碼,實現對密鑰的產生和安全分配。BB84協議被證明是迄今為止無人攻破的安全密鑰分配方式,量子測不準原理和量子不可克隆原理,保證了它的無條件安全性。


            通過量子密鑰分配可以對安全的通信密碼加以建立,在一次一次的加密方式下,點對點方式的安全經典通信便得以實現。量子通信的安全性保障了密鑰的安全性,從而保證加密后的信息是安全的。量子密鑰分配還有一個好處——不需要大面積地改造現有的通信設備和線路。量子密鑰分配突破了傳統加密方法的束縛,以不可復制的量子狀態作為密鑰,具有理論上的“無條件安全性”。任何截獲或測試量子密鑰的操作,都會改變量子狀態。這樣,截獲者得到的只是無意義的信息,而信息的合法接收者也可以從量子態的改變,知道密鑰曾被截取過。最重要的是,與經典的公鑰密碼體系不同,即使實用的量子計算機出現甚至得到普及,量子密鑰分配仍是安全的。

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