量子通信十篇

量子通信篇1

关键词：量子；纠缠态；量子密码；金钥分配；量子通信

中图分类号：TN918文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 04-0000-03

Concerning on the Quantum Cryptography and Communication

Tang Yonglong

(Jishou University,Information Management and Engineering Institute,Zhangjiajie427000,China)

Abstract:Expounds the quantum cryptography and quantum communication work principle,discusses the most wondrous quantum entanglement and quantum key distribution principle,research the quantum cryptography and quantum communication development history,discussed the quantum cryptography and quantum communication brilliant future

Keywords:Quantum;Entangled state;Quantum cryptography;QKD;Quantum communication

一、引言

随着计算机和计算机网络技术的飞速发展，人们越来越多地依赖网络进行工作和生活，电子商务、电子政务、电子金融、网络通讯、网络电视等基本上已经应用到社会的各个角落，当然有些信息是敏感和保密的信息，于是需要对敏感和保密信息进行保护，以免被窃取或篡改，这就是密码学[1]的任务。以前用的“经典密码”[2]和现在用的“公钥加密”[3]都是建立在非常难计算的一个数学难题上的，因此在未来几年甚至更久，密钥的安全性仍然很高。不过随着科学技术的和计算机计算速度不断的发展，人们在不断提高破译密码的能力，特别是对速度快得惊人的未来的量子计算机来说，破解现代密码技术轻而易举。于是一种更加安全的全新的密码学――量子密码学（Quantum Cryptography）应运而生。

二、量子密码

（一）理论基础

量子密码学是传统密码学与量子力学相结合的产物，这种加密方法是用量子状态来作为传送信息加密和解密的密钥。量子力学中量子的非常好的独有特性是量子密码安全性的理论基础和基本保证。量子密码的理论基础是“海森堡（Heisenberg）测不准原理”和“单量子不可复制定理”[4]。Heisenberg原理指出不可能在同一时刻以相同精确度测定量子的位置和动量，最多只能精确测定其中之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的一个推论，它是说不可能在不知道量子状态的情况下复制单个量子，原因是要想复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态，而一个微小的改变就测不准量子的状态了，也不能复制了。目前主要有三大类量子密码实现方案：一是基于单光子量子信道中海森堡测不准原理的量子密码方案；二是基于量子相关信道中Bell原理的量子密码方案；三是基于两个非正交量子态性质的量子密码方案[5]。“量子密码”是利用质子的极化方式编排密码。质子能以四种方式极化；水平的和垂直的，而且互为一组，两条对角线的也是互为一组。用一个特定的二进制位（0或1）来表示两个不同的初始值。我们也可以假设这个键值传输的光子流是在一个方向上，用单个的数据位0或1来表示每一个光子微粒。光子除了直线运动外，还可以以某种方式沿任意方向轴在360度的空间进行振动。在量子密码系统中把这些振动状态分为4组模式：上、下振动模式；左、右振动模式；左上、右下振动模式、右上、左下振动模式，振动角度就沿光子的两极。“量子态”我们一般用符号“｜•”来表示。规定一个二维量子态就是一个量子比特，由“态叠加原理”知道：两个量子计算基态｜0和｜1的任意线性叠加变成一个量子比特。“量子纠缠”是量子力学最奇妙的性质。如果沿某方向Alice测量自己的光粒子，以1／2的概率得到1，1／2的概率得到0，即她的测量结果将是完全随机的，但如果此时Bob也沿相同的方向测量自己的光粒子，他一定会得到与A1ice相反的结果。即不管他们相距多远，由爱因斯坦所说的神秘的“超距”现象。Alice的测量结果都会使得Bob的粒子态唯一确定。利用这一现象，科学家们首先发现了量子远程传态，即通信双方可以利用一对共享的纠缠态（tangled state）瞬间传送一个任意量子态。纠缠还有一个非常有趣的性质就是纠缠交换，它是指当对不同纠缠态中的部分粒子做联合测量时，会使得其余粒子也纠缠在一起。

（二）工作原理

第一种方法[6]：直线模式：光子的偏振方向是垂直或平行；对角模式：光子的偏振方向呈45度角。两种模式中，光子的不同指向分别代表0或1这两个数字。要在两端传递量子密钥，其中一种方法就是以激光发出单一光子，光子会以两种模式中的其中一种偏振。密钥发送者Alice完全随机地以直线或对角模式送出光子，发射出一串位0或1。接收者Bob，他也随机决定以两种模式之一来测量射入的光子。根据海森堡的测不准原理，他只能以一种模式来测量位，而不能用两种。如果Bob所使用的测量方法和Alice相同，那么他会得到Alice所送的值，传送密钥就成功了；如果Bob所使用的测量方法与Alice的不同，所得到的值就不一定和Alice的相同，应该放弃该位，这样循环往复的操作。全部具体步骤为：.Alice任选一个state，basis=s，b，然后传送该光子给Bob；Bob任选一个测量方法b’来测量传送来的光子；Alice和Bob同时宣布他们所用的测量方法b和b’（而不是测量的结果）；如果b=b’，则和Bob共有一个值；如果b≠b’，则放弃这一位。如此多次重复循环上述步骤，就可以得到一个n位的共同密钥K，可以用来对信息加密或解密。

再来看窃听者Ever，如果Ever想拦截这道光子流，由海森堡测不准原理，她无法同时两种模式都测。如果她以错误的模式进行测量，她将该位依照测到的结果重传给Bob，都一定会有1/2机会出错。即使Ever测量正确，Alice和Bob可以随机选择一些位进行比较，若发现比较值不一致，就可以知道Eve进行了截取，再重新传送新的密钥；如果比较值双方一致，就可以认为密钥是绝对安全的。舍弃这些用于比较的位后，就得到了安全密钥了。

第二种方法[6]：Bob先准备一对光子，或者是一对在纠缠态相同的自转粒子，然后储存其中一个粒子，并将另外一个传送至Alice。Alice在收到的粒子上执行如下的操作：操作A：不动半自转的粒子；操作B：沿着x，y或z以180度做自旋，对光子来说，做与偏极值一致的旋转。这些操作，虽然只对其中一个粒子执行，却会影响两个联合粒子的量子状态。Alice传回粒子与Bob，Bob可以共同测量传回的粒子与储存的粒子，从而判定Alice使用了四种操作中的那一种操作，也即代表了两比特数据的0和1组合。如此一来，这个技术有效的加倍了信息频道的最高容量。窃听者Eve将必须侦测粒子以读取信号，这样侦测其中一个粒子的动作将会破坏另外一个粒子的量子关联性，发送双方都可以知道是否有窃听者的存在。

（三）应用发展

1970年美国科学家Stephen Wiesner最早利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子态，所以当时并没有受到应有的注意，直到1983年他才敢发表了这个结果。Charles H.Bennett和Gilles Brassard最早就认识到这个结果的重要性，他们发现：单量子态虽然不好保存但可用于传输信息。于是在1984年提出首个量子密钥分配的方法――BB84方案，由此迎来了量子密码的新时代。5年后，他们在实验室里进行了第一次实验，成功地把一系列光子从一台计算机传送到相距32CM的另一台计算机，实现了世界上最安全的量子密钥传送。1992年，贝内特又提出一种更简单但效率减半的方案――B92方案。后来各国密码学家纷纷加入到相关的研究中来，量子密码技术得以迅猛发展。英国国防部于1993年在光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子密钥分发，光纤传输长度为10公里。后经多方改进，距离达到30公里。瑞士日内瓦大学也在1993年提出了基于BB84方案的偏振编码方案，将1.3微米波长的光子在1.1公里长的光纤中成功传输，误码率仅为0.54%，并于1995年在日内瓦湖底铺设的23公里长的民用光通信光缆中进行了实地表演，误码率为3.4%。两年后，他们又利用“法拉第镜”消除了光纤中的双折射等影响因素，使得系统的稳定性和使用的方便性得到很大的提升。2010年，由中国科技大学教授郭光灿院士领导的课题小组，成功实现了150公里的室内量子密钥分配，并利用中国网通公司的实际通信光缆，实现了从北京经河北香河到天津的量子密钥分配，实际光缆长度125公里，系统的长期误码率低于6%。这是迄今为止国际公开的最长距离的实用光纤量子密码系统。

在空气中的实验也取得了很大成果，2002年，德国慕尼黑大学和英国军方的研究机构合作，在德国和奥地利边境相距23.4公里的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光成功传输了光子密钥，并希望使用较大的望远镜来侦测、用较佳的滤镜以及抗反射镀膜等技术来改进这套密钥收发系统，希望距离达到500至1000公里，进而建立一个密码传输网络。

密码专家希望最终能够发展出某种形式的量子中继器（quantum repeater），可以克服距离的限制。2003年，中国科技大学潘建伟博士领导的实验室成功实现了量子纠缠态的浓缩，并利用这一技术实现了四光子纠缠光源的量子中继器。同年，瑞士日内瓦的id Quantique公司以及美国纽约市的神奇量子科技公司（MagiQ），都发表了可以传送量子密钥的商品。2004年世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行，系统连接六个网络节点，涵盖剑桥城的哈佛大学、波士顿大学，以及BBN科技公司。2004年秋天，日内瓦的因特网服务供应商Deckpoint与id Quantique共同展示了一个网络，可以将日内瓦内的好几个服务器数据备份到10公里外的站台，并通过量子加密网络，频繁地发送新钥匙。

另外一个难题则是在量子信息不能测量、测量就会被破坏的前提下，网络在传输中如何自动找到特定的路径，将信息完整准确地传送给对方。最近郭光灿的研究小组巧妙利用波分复用技术，设计出国际上第一个量子路由器，解决了量子信息自动寻址难题，使量子网络中任意一个用户都能自由选定网内任意用户与其实现量子密码通信。此课题组在北京网通公司的商用光纤线路上进行多用户测试。用户之间最短距离约32km，最长约42.6km。测试系统成功演示了一对三和任意两点互通的量子密钥分配，并在对原始密钥进行纠错和提纯基础上，完成了加密的多媒体通信实验。

三、量子网络

量子通讯的钥匙就是量子纠缠。量子纠缠描述了这样一个类似人们生活中“心灵感应”的神奇现象[7]：两个无论相隔多远位于宇宙空间中的两边的微观粒子，只要这两个粒子彼此处于量子纠缠，就可以通过改变一个粒子的量子状态来改变另一个粒子状态，信号超越了时空的阻隔，直接送达了另一个粒子那里。就像两个相距遥远的人有一根无形的线绳牵着他们不约而同地想去做同一件事，这种神奇的超越通讯方式的量子理论激起了量子科学家们的极大兴趣，因为量子网络要比现在的互联网快千万倍。

量子网络是一种遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置和网络。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子网络。量子网络的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。将一个粒子的量子信息发向远处的另一个纠缠粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。一个粒子可以传递有限的信息，而亿万个粒子联手，就形成量子网络[8]。

人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，也极大地影响了计算机芯片的集成度，从而限制了运行速度。研究后发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，计算过程是否必须要用不可逆操作才能完成呢？结论是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不降低运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么正好可以用量子力学中的幺正变换来表示。但在早期量子网络中，只是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性――量子态的叠加性和相干性。在传统计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。同样在量子网络中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子网络可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充。量子网络对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅度叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了并行计算外，量子网络的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机永远无法胜任的。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。但是，在实际应用中量子相干性很难保持。在量子网络中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，另一个问题就是克服消相干。而量子编码是迄今为止发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围比较广，缺点是效率不是很高。量子粒子非常脆弱，一点风吹草动就会让它丢失信息。要实现对微观量子态的操纵实在是太困难了，目前为止，可以说还没有真正意义上的量子网络。不过，各国科学家和各地的许多实验室正在以巨大的热情和工作追寻着这个梦想。如何实现量子计算，目前已经提出了一些方案：主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等等。现在也很难说哪一种方案更有前景和可实现，可能量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。也许现有的方案将来都不能用，最后脱颖而出的是以某种新材料为基础的一种全新的设计方案。研究量子网络的目的也不仅仅是要用它来取代现有的计算机，量子网络的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题，量子网络使计算的概念将会焕然一新，这就是量子网络与其他计算机（如电子计算机和生物计算机等）的不同之处，可能是一个全新的计算方法和网络时代的来临。

参考文献：

[1]胡向东,魏琴芳.应用密码学[M].北京:电子工业出版社,2006

[2]Bruce Schneier.应用密码学[M].吴世忠.北京:机械工业出版社,2000

[3]张焕国,刘玉珍.密码学引论[M].武汉:武汉大学出版社,2003

[4]张镇九.量子计算和通信加密[M].武汉:华中师范大学出版社,2002

[5]赵千川.量子计算和量子信息[M].北京:清华大学出版社,2004

[6]Bennett C C.Phys Rev Lett,1992,68:3121

[7]Marand C,Townsend P D.Opt Lett,1995,20:1695

[8]Muller A,et al.Appl Phys Lett,1997,70:793

量子通信篇2

 

引言：

 

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。这一新型通信技术是伴随着通信技术的不断发展和物理学领域的不断研究而发展起来的，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。近年来这门学科已逐步从理论走向实验，以其特有的高效性和安全性等特点而被军事等领域广泛研究应用，并向实用化发展。同时，随着社会科技和经济的不断发展，普通民众对信息传输的要求也日益提高，对信息传输的稳定性、安全性要求也不断提高，因此也急需这一技术来作为对现有通信手段的补充和优化，以不断提高信息传输的质量。这种无论是来自军事等特殊领域还是来自普通民众等普通领域对信息传输的高要求都促使着量子通信技术不断研究与发展，以满足人们不断严苛的通信需求。

 

一、量子通信的发展概述

 

量子通信技术是在量子力学的基础上发展起来的。量子力学诞生于1926年，是人类对微观世界加以认识的理论基础之一。量子力学和相对论之间的不相容性在1935年被爱因斯坦、波多尔基斯和罗森论证后，约翰?贝尔于1964年提出贝尔理论，阿斯派克等人于1982年证明了超光速响应的存在。在这一基础上，美国科学家贝内特于1993年首次提出了量子通信的概念。这一概念的提出，使爱因斯坦的量子纠缠效益开始真正发挥其威力。

 

自量子通信概念提出以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，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，这是量子通信最初的基本方案。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。

 

1997年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。此后经过二十多年的发展，量子通信这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展，主要涉及的领域包括：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。

 

二、量子通信技术简介

 

量子通信即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。量子是不可分的最小能量单位，“光量子”即为光的最小能量单位。量子通信的理论基础是量子纠缠。在量子世界中，存在着一种“纠缠”效应，所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。这种“纠缠”效应能够在两个完全相同的某量子态粒子之间建立某种联系，当其中一个的状态发生变化时，另一个也会发生相同的变化，而且这种变化与时间和空间无关。另外由于对粒子的任何测量都会导致其量子态的变化，所以同时这种变化时不可能被第三者所知获的。利用量子的纠缠效应，我们可以进行绝密和瞬时的通信。因此具有极大的研究价值。

 

量子密码通信原理是基于“海森堡测不准”原理的发展的。在量子物理学中“海森堡测不准”原理表明，如果人们开始准确了解到基本粒子动量的变化，那么也就开始丧失对该粒子位置变化的认识。所以如果使用光去观察基本粒子，照亮粒子的光的行为都会使之改变路线，从而无法发现该粒子的实际位置。因此对传输光子线路的窃听会破坏原通讯路线之间的相互联系，通讯会被终端。另外还有“单量子不可复制”定理，这是上述原理的推论，是指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子必须先做测量，而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理，即使量子密码不幸被获取，也会因测量过程中对量子状态的改变而得到一些几乎无意义的信息。

 

量子远程传态是经由经典通道和量子通道传送未知量子态。通俗来讲就是将甲地的某一粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上还原出来。因量子力学的不确定原理和量子态不可克隆原理，限制人们将原量子态的所有信息精确地全部提取出来，因此必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分，它们分别由经典通道和量子通道送到乙地，根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。但这一过程并不传输任何的能量或物质，只是传输一种量子态。

 

量子密集编码是用量子通道传送经典比特，即使用量子纠缠现象可以实现只传送一个量子比特，而传送两个比特的经典信息。具体方法是信息的传送者(Alice)和接受者(Bob)各拥有处于最大纠缠态中的一个粒子，Alice可以对她手中的粒子施加四种可能的幺正变换以编码两个比特的经典信息，由于两个粒子处于纠缠态，对一个粒子的任何操作都会对另一个粒子产生影响，引起另一个粒子的态发生相应的变化。Alice对它的纠缠粒子施加幺正变换后，两系统处于四个Bell基态之一，为了使Bob能读出Alice编码的信息，Alice必须再把她的粒子传送给Bob，Bob再对两个粒子实施联合Bell 基测量，测量结果可使Bob提出2比特的经典信息，在这过程中，Alice仅传送给Bob一个粒子，但却能成功的传送2比特的经典信息，这就是所谓的“密集编码”。

 

三、量子通信技术的发展前景

 

量子通信技术依托于发达的现代信息技术和先进的量子技术而发展起来的，以其独特的优势而被广泛关注。与传统通信技术相比较，量子通信具有抗干扰力强、保密性高、传输速度快等优点。因此，它的发展应用前景很广阔。一方面，在国家政府和军事领域，由于其保密性极高，几乎不可能被敌方破译，且这种量子通信技术能够抵御未来量子计算机技术带来的威胁，因此会被不断研究和应用。另一方面，在民用通信技术领域，早在2009年9月，中国科技大学组建了世界上首个5节点的全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信。“城域量子通信网络”使得城市范围的安全量子通信网络成为现实。因此，量子通信在未来的民用领域也将被广泛研究应用。

 

结语

 

量子通信是通信技术的又一次划时代革命，与目前采用的传统通信技术相比，量子通信在保密性、通信容量、通信时效等方面都具有十分明显的优势，是未来通信发展的主要方向。虽然量子通信有着广阔的应用前景，但在单元技术和理论方面还有许多需要解决的问题。在信息产业作为国民经济重要组成部分的今天，需要在量子通信这一领域继续加大投入和研究力度，为进入量子通信时代打下坚实的基础，不断服务于现代人类的发展需求。

量子通信篇3

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（Quantum Teleportation）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：量子密码通信、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（spooky action at a distance）”。

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（Alain Aspect）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”（quantum entanglement）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.Bennett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密码术，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年代开始,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年代开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节点链状光量子电话网，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）。

量子通信篇4

1、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。

2、量子通信主要涉及：量子密码通信、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，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

（来源：文章屋网 ）

量子通信篇5

量子通信是量子力学和经典通信相结合的产物，其安全性由海森堡测不准定理和不可克隆原理所保障，具有经典通信无法比拟的无条件安全性及对窃听的可检测性。电力系统通信专网，建立了“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的网络与信息安全防御体系，但安全措施主要侧重于业务层和数据安全层面，在底层安全策略和适应未来发展方面存在局限性。由于电力数据对通信安全要求的特殊性，量子通信极有可能是确保电力通信安全的极佳选择。综上，开展量子保密通信技术研究非常有意义。本文首先对量子通信技术进行概述，接着阐述了国内外技术研究现状；最后，根据电力通信业务需求，分析量子通信在电力系统中的应用前景。

2量子通信技术概述

量子通信，广义上是指把量子态的传递，包括：量子密集编码、量子密钥分发和量子隐形传态。其中，量子密集编码用于量子计算机。量子密钥分发，在传送量子态的过程中，光子会经由光纤或自由空间被实际传送到接收方；量子隐形传态，纠缠光子对分处两地，量子态在一处消失后，在另一处被巧妙地重现，而光子本身却不被传送。量子通信，狭义上理解，是量子密钥分配或基于量子密钥分配的安全保密通信。量子密钥分发只是负责产生和分发通信需要的密钥，最终的的数据信息经由加密生成的密文，还是必须经过经典信道进行传输。在量子隐形传态中，同样也要用经典信道将测量的信息传送出去，经典信息与量子信息联合起来才能实现量子隐形传态。因此，量子通信技术除了在窃听检测和通信保密方面具有优势以外，并不能突破经典通信系统在通信速率、距离、抗干扰性能等方面的极限。

3量子通信技术国内外研究现状

量子通信具有高效率和绝对安全等特点，广泛的应用前景吸引众多国家投入人力物力。美国、日本、欧洲多国都成立了专门开展量子技术研究的机构，此外，IBM、HP、NEC、NTT等企业也纷纷加入到量子通信的研究之中。国外量子密钥分配技术专利统计显示，公司、企业申请的专利数占主导地位，科研院所其次，可以看出量子密钥分配技术具有潜在的商业化价值和应用空间。1984年，BennetC.H.和BrassardG.提出第一个量子密钥分发协议（BB84协议），揭开了量子密钥分发研究的序幕。1993年，英国国防部研究局在传输长度为10km的光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子密钥分发。1997年，奥地利的A.Zeilinger小组在室内首次完成量子态隐形传送的原理性实验验证。2001年，瑞士IDQuantique公司推出商用量子密钥分发系统。2004年，瑞士日内瓦大学的Gisin小组推出的“Plug&Play”光纤量子密钥协商系统光纤长度提高到67km，成为世界上首个商用的QKD系统。

国内，量子通信研究同样受到相关部门的大力支持。郭光灿小组：2004年，实现北京-天津125km光纤点对点的量子密钥分发；2007年，实现了基于波分复用的四用户量子密钥分发网络，通信距离达到42.6km；2009年，在安徽芜湖建成世界首个“量子政务网”。2005年，潘建伟小组在世界上首次实现13km自由空间的纠缠分发和量子密钥产生；2008年，实现了三用户的诱骗态量子密钥分发网络；2009年9月，世界上首个全通型量子通信网络建成，首次实现了实时语音量子保密通信。最近几十年，量子通信从理论到实验，再到实用化突破，发展迅速。

4量子通信技术在电力系统中的应用前景

电网规模的不断扩大，电网企业信息化程度日益提高，电网面临的安全风险更多、更大，迫切需要研究新的通信技术，将其应用到电力系统来。量子通信技术具备高效率和绝对安全的优势，将可能成为保护电力系统数据安全的极佳选择。而且，在我国相关的研究和实用化工作也走在世界前列，具有自主知识产权，探索量子通信技术在电力系统中的应用是非常有意义和前瞻性的工作。结合目前电力通信系统和业务系统现状，量子通信技术可以在以下方面开展应用研究：

4.1构建量子加密异地备份数据传输链路目前，各网省公司已大力开展备用调度系统和信息容灾体系的建设，并相继成立了异地数据容灾中心。为确保数据中心之间的数据保密传输，一个安全的加密系统是必需的。量子保密通信的安全性不是基于计算的复杂性，在信息保护和保密通信方面具有天然的优势。使用量子密钥分发链路，在主、备数据中心间进行密钥分发和交换，能够构建高效、安全的异地数据备份传输通道。

4.2构建核心加密通信网电力企业的电脑被攻击，可能引发用电行业的瘫痪，造成社会大面积混乱。传统的防火墙和信息过滤技术无法从根本上解决“黑客”攻击的问题，随着量子通信距离和多用户量子通信技术的突破，利用量子通信技术构建网省地重要调度机构加密通信网，在网络上任意两用户间实现量子密钥的加密通信，将能保证营销、市场、办公等重要业务的安全性。

4.3构建点对点量子加密保护通道线路保护、安稳属于电力生产一区的重要业务，对数据的实时性和安全性要求非常高。现采用的专用光纤、复用2M通道方式能保证数据的实时性，却无法保证绝对安全性。随着量子通信的快速发展，两点间的量子通信技术趋于成熟，两方量子密钥分发通信距离已经能够达到几十公里~百公里级。量子密钥分发技术，使用光量子作为保护、安稳信息的载体，将能极大地保障业务的安全性。

4.4构建加密量子交换网络电话业务是生产指令上传下达的关键工具，是电网安全正常运行的重要通信保障，目前主要采用PCM或交换机放号的方式，在承载网层面未进行安全保证。使用量子交换机实现经典通信网络的交换控制与量子交换网络的控制，可以构建高安全的量子交换网络，防止电话遭窃听和恶意攻击。

4.5应急量子通信当出现冰灾、地震、洪水等自然灾害，光缆、传输设备等电力通信基础设施受到大面积破坏时，现有电力通信网络陷入瘫痪，无法进行有效的应急抢修通信。目前，量子隐形传态技术已经获得16km的实验进展，随着关键量子器件技术的成熟，隐形传态将进入应用阶段。利用隐形传态技术，构建应急环境下的量子卫星通信系统，将对未来的应急抢修提供重要帮助。

5总结

量子通信篇6

关键词:量子通信；商业银行；量子密钥分发；应用前景

0引言

上世纪90年代，量子通信是以量子论和信息论为研究领域而发展起来的新型交叉学科，在较短的时间内迅速成为广大学者研究的热点，获得社会的广泛高度关注[1-2]。近年来，随着远距离量子通信获得较大突破，2016年，我国在甘肃酒泉成功发射了人类第一科量子通信卫星“墨子号”[3]，2017年，总长度超过2000公里的“京户干线”量子信息通道建成，量子通信技术已逐渐从理论阶段和实验阶段，开始走向实践应用和高速发展阶段。本文首先对量子通信技术进行简要介绍，其次详细分析量子通信技术在商业银行的应用前景，最后给出相应的对策建议。

1量子通信技术的介绍

1.1量子通信的概念

量子通信的理论概念是由美国科学家CharlesBennett于1993年在量子纠缠理论的基础上提出，量子通信是指利用单个光量子不可分割和量子不可克隆原理的奇特性质，以量子为载体（传输信道）进行数据传输，它是一种全新的绝对安全通信方式[4-5]。

1.2量子通信技术的优势

量子通信作为一种全新的通信方式具有以下特点：一是绝对安全，量子通信不依赖复杂的数学算法，而是采用量子密码学技术，以量子状态作为加密秘钥保障通信安全，如果通信过程中发生截获、修改或复制等操作均会导致量子状态发生改变，进而保障了数据传输具有不可窃听、不可复制的特性，打破了经典的传统加密方式的壁垒，真正实现“绝对安全传输”。二是高效率，由于量子叠加原理的存在，量子系统可以处在不同量子态的叠加态上，一个n维量子态可以包含2个态信息，而量子并行性提供的巨大处理能力，可以同时对2个信息进行数学运算，因此使用量子通信和量子计算相结合，可以是实现对n维量子态进行传输，使传输能力和传输效率显著提高[6]。三是较强的抗干扰力，量子通信是以量子为载体进行远距离通信，不会受到障碍物阻隔，具有穿越大气层的能力，同时，还具备线路零时延和无电磁辐射污染的优质特性，既可以大大提升传输速度，又能充分保障通信信道的环保。

1.3量子通信原理

1984年，CharlesBennett与GillesBrassard提出了著名的首个量子密钥分发协议（即bb84协议），为量子通信成为可能[4]。目前，量子通信一般分为以下两类，一类是采用直接通信方式的量子隐形传态（QuantumTeleportation，QT），它是利用量子的纠缠特性原理直接通过量子进行信息传递。A粒子和B粒子纠缠在一起，B粒子逐渐向远离A粒子的方向运动，然后通过技术手段使A粒子和另一个粒子C纠缠在一起，最后C粒子和B粒子将拥有同样的信息，通过这种方式可以将某一信息从甲地瞬间传输至乙地[7]。另一类是采用间接通信方式的量子密钥分发（QuantumKeyDistribution，QKD），它是以量子力学为基本原理，利用量子力学的海森堡不确定性原理和量子态不可克隆定理，建立一条经典通道（传统网络）和一条量子信道分别用于传输密文和产生秘钥，每一次新的信息传递，通信双方都会生成新的秘钥，通过一次一密的方式保障信息安全，同时还可以准确判断传输过程中是否发生窃听，真正实现了绝对安全可靠传输。目前，量子秘钥分发逐渐成为发展势头最猛、应用最广泛的通信方案。

2量子通信技术对商业银行的应用前景

量子通信技术具有通信效率高、安全性突出，保密性出色，在政府、通信、金融等国民经济领域或部门有较多的应用前景，这给具有客户众多、业务丰富、交易频繁、数据量巨大、安全要求高等特点的商业银行带来了发展机遇。一是提供海量、高速的数据传输能力。为满足生产中心和灾备中心相隔1000公里以上监管要求，国内商业银行都采用“两地三中心”概念和架构模式部署建设数据中心和灾备中心，各中心之间将涉及海量的数据传输，利用量子通信的特点，组建新型的量子通信网络构架，特别适合解决海量数据传输效率和安全问题。二是提供安全的、可靠的保密传输通道。目前各商业银行与监管机构、政府之间、合作企业以及商业银行总行与各分支机构之间均会涉及一些重要的涉密信息传输，利用量子通信绝对安全的特点，建立可靠传输链路，保障涉密信息的安全性。三是保障业务交易绝对安全，目前银行柜面交易、网上交易、移动支付、跨境支付等均采用传统的网络和加密技术手段保障业务安全，随着量子技术不断普及，业务交易的脆弱性逐渐凸显，而采用量子信息技术的通信和加密方式可以很好的保障业务交易安全，保护客户隐私。四是拓宽业务创新空间。量子通信技术结合人工智能、大数据、物联网、云计算、区块链等新兴技术，以量子通信技术作为基础网络和通讯安全基础，以其他新兴技术作为应用工具，以业务流程优化、业务流程再造作为突破点，不断开展先进的金融科技创新和深层次的应用创新，进而提升客户粘性，增强银行的核心竞争力。对于传统商业银行来说，虽然量子通信技术的创新到来，给商业银行带来许多转型发展机遇，但是量子通信技术带来的重大革命也给传统商业银行带来了巨大的冲击和挑战。从商业银行内部变革来看，一是量子通信技术的深入应用将对传统的基础架构、网络架构、数据架构和应用架构模式造成巨大冲击[10]，势必会改变传统架构模式以适应量子通信架构；二是商业银行经过长期发展，基本已经形成了自己的比较成熟的业务生态系统，量子通信技术不断与业务的创新应用必将对传统业务架构或业务生态系统带来重大变革；三是量子通信的理论研究、落地应用和后期维护等工作都对商业银行的科技能力和人才储备提出了更高的要求。从外部安全形势来看，一方面，随着量子通信技术不断的普及应用，商业银行传统的数据加密措施、交易防护手段将变得十分脆弱，都将给银行的信息安全带来严重的威胁；另一方面，量子通信技术的创新发展必将使各商业银行间的市场竞争变得更加激烈。

3应对量子通信技术的发展建议

随着量子通信技术逐步走出实验室，商业银行业务创新与量子通信技术不断探索应用，夺取量子通信技术的制高点的竞争将变得日趋激烈，如何抢占市场先机、把握技术优势将是各商业银行亟待解决的问题。因此，针对商业银行如何布局和发展量子通信技术提出以下建议。一是制定发展战略，明确发展目标。国家十三五规划对量子通信技术的发展做了明确的顶层设计，中国人民银行颁发的《中国金融业信息技术“十三五”发展规划》对量子通信技术发展做了明确部署，商业银行应将量子通信技术作为重要战略目标，纳入目前正在实施的数字化、智慧化转型规划中，构画技术发展路线图和实施路径。二是依托金融科技创新实验室，探索落地具体路径。目前，大多数商业银行都已经成立金融科技创新实验室，在大数据、人工智能、区块链、物联网等新技术应用取得了较多的创新成果[11]，积累了丰富的创新经验，各商业银行应该进一步充分发挥实验室作用，利用机制和资源优势，不断推动量子通信技术的落地应用。三是积极探索有效的对外合作交流。银行作为金融机构，在新技术研发能力方面，毕竟存在先天不足劣势，而一些科研院校以及部分实力强劲的企业在量子通信技术研究和应用方面已经遥遥领先，商业银行应该主动寻求合作机会，加速创新应用。

量子通信篇7

江苏亨通问天量子信息研究院有限公司执行院长薛梦驰表示，该系统模拟的是一种应用场景，在这个场景下，在陆地上建设陆上量子通信干线，并且将陆上干线延伸至海底，形成了一条连接陆上和海底的量子通信干系统，实现量子保密通信海陆一体化传输。

海上项目正在规划

中国的量子通信发展非常迅速，并且已经建设了京沪量子保密通信干线网络，但是中国有漫长的海岸线和很多岛屿，因此量子通信网络并不能局限于陆地上，还要向海底延伸，而亨通目前正在做的就是如何在海底进行量子保密通信传输。

不过，亨通目前海底项目还处于规划阶段，正就相关事项与客户进行交流。薛梦驰告诉《通信产业报》（网）记者，与陆上量子通信干线建设相比，海底通信所受到的限制更多。海上没有稳定的移动通信网络，而且海洋环境复杂，如何保证量子保密通信稳定传输，亨通正在规划和研究。

据了解，在海底建设量子保密通信系统主要难点之一在于稳定性，因为海底环境复杂多变，而且海上维护海缆的技术要求和成本也比陆缆要高，因此对海底量子保密通信系统设备的稳定性、可靠性的要求较高。

陆上系统已经商用

亨通2014年就介入到量子通信领域，目前已经实现了量子保密通信商业化，一条从南京起点，经苏州、南通，延伸至上海边界的量子保密通信干线项目――“宁苏-沪通”量子干线业已开工建设，预计将于明年建成，并投入商用。

亨通在量子通信领域的发展比较迅速，2016年7月5日，与北京邮电大学签署协议，进一步加强在信息光电子器件、光纤通信和光纤传感方面的研究工作。同年8月13日，江苏亨通问天量子信息研究院有限公司正式成立，实现了量子保密通信的产业化发展。此后，亨通还与中国联通开展基于量子通信领域的网络技术研究、示范和应用。

当然，在量子通信领域，亨通不仅进行了资本运作、技术合作，而且很多项目已经或者即将落地，例如芜湖“量子政务网”、合巢芜城际量子密码通信网络等等。

量子通信篇8

 

0引言

 

近几年来，随着人们对于网络信息传输质量的要求越来越高，并且各种应用的增加导致整个网络信息量增大，亟需有效提高网络的服务质量。基于量子纠缠态理论，在数据链路层对通信协议进行分析，得到停等协议和选择重传量子通信协议，可以明显减少信息在链路中的传输时延，有效提高信息在链路中的传输速率[12]。但是，选择自动重传协议对于每一个发送的数据帧都要求进行应答，一定程度上加重了通信负担;滑动窗口协议只要求对于一定量的数据帧发送一个应答即可，将有效简化通信过程。因此，研究基于量子纠缠态的滑动窗口通信协议具有一定的意义。本文利用量子理论中量子纠缠态，提出一种基于数据链路层的滑动窗口量子通信协议，并对该协议进行分析。

 

1量子纠缠态

 

量子信息学是近20多年来由量子理论、信息科学以及计算机科学相结合起来的新型学科[3]，主要利用量子态的特性，探索以全新的方式对信息进行存储、计算、编码和传输的可能性[45]。量子纠缠态是量子光学和量子信息学领域中的一个重要概念，量子态的纠缠是量子信息工程中的重要资源，并广泛应用于量子通信和量子计算的理论研究中[67]。量子纠缠现象最先是由(einsteinpodolskyrosen，EPR)发现的量子力学的特殊现象，对于2个或多个量子系统之间的非定域、非经典的关联性描述，是量子系统内各个子系统或各自由度之间关联的力学属性。那么，量子纠缠态是实现信息高速传输的不可破译通信的理论基础[4]。由量子纠缠交换实现量子远程通信，表明量子状态的转移是瞬间实现的，极大缩短了通信时间。

 

2滑动窗口通信协议

 

滑动窗口协议是基于数据链路层允许多个数据帧同时进行信息传输以此来提高传输效率而提出的[8]。对于每一个数据帧用一定位数的二进制标识，并限定每个窗口的最大传输的数据帧数。同时，分别在发送方设置发送窗口，接收方设置相应的接收窗口;接收方不必对每一个数据帧进行应答，只需对这个窗口的最后一个数据帧进行应答，表示整个窗口的所有数据帧接收正确，之后接收下一个窗口的数据。对于当产生错误或者丢失一个、多个数据帧时，需要重传这个窗口的所有数据帧。

 

对于滑动窗口协议，假如待传送的数据帧为m个，每个滑动窗口最多N个数据帧，且每个数据帧在传输的过程中出错和丢失的概率为p。假定每个数据帧的发送时延为ta，数据帧沿发送链路从发送端到接收端的传输时延为tp，接收端接收到数据帧的所用的处理时延为tpr，接收端发送确认帧的发送时延为 tb，确认帧在链路中的传输时延为tp，假设发送端的处理时延也同为tpr。由于数据帧的传输过程中是连续发送，则存在数据帧之间传输时间的重叠。即设时间重叠的系数为β，则0≤β<1，重叠时间为βt，当β=0时，重叠时间为0，即只一个数据帧进行传输;同时数据帧的发送时间有先后顺序，不可能同时发送所有数据帧，那么数据帧之间的发送时间不能完全重叠，β不能等于1。因此，一个数据帧从发送端到接收端的传输时间为

 

也就是说，如果出错或丢失的数据帧越多，则滑动窗口量子通信协议将越有效;并且在无差错信息传输中滑动窗口量子通信协议也将比选择连续重传量子通信协议更好。可得出：在单一一个窗口的出错或丢失需要重传的数据帧的概率为p1=y/x，那么对于所有的数据帧有：当p1> c+1xt4+t5(t4+t5)x-1时，滑动窗口量子通信协议比选择连续重传量子通信协议更优。因此，滑动窗口量子通信协议在远程通信和通信信道较差、出错率很高以及传输时延很高的情况下具有更明显的优势。

 

3结论

 

利用量子力学中的量子纠缠态，提出了一种基于数据链路层的滑动窗口量子通信协议。该协议在链路的空闲时段通过量子纠缠态的分发建立量子信道，信息的发送通过经典信道进行传输，而后通过量子信道进行反馈确认信息来完成。由于确认量子信息传输的瞬时性，可有效减少信息的传输时间，提高了链路的吞吐量。通过与选择连续重传量子通信协议对比，滑动窗口量子通信协议在十分严峻的环境和远程通信中能够更好地提高信息的传输效率，特别是在卫星通信方面将有更大作用。但是对于所需要重传的数据帧是整个窗口的所有数据帧进行重传，但是整个窗口的所有数据帧并不是全部都出错或丢失需要重传，有的数据帧是完整接收依然被丢弃重传，造成了一些不必要的数据帧的传输，信道的利用率下降。如果能够对于滑动窗口量子通信协议中需要重传的数据帧进行选择性重传将是更有效的解决方案。

 

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量子通信篇9

【关键词】光存储电磁感生透明暗态极化声子绝热相干操控

一、全光型光纤通信技术的发展现状

二十一世纪是信息高度发展的世纪，信息技术已经逐渐渗透到人们日常生活中的各个方面，并发挥着不可替代的作用。随着人们对于信息技术的需求不断增加，信息传递技术的创新迫在眉睫，如何才能满足信息量日益增多的现状成为信息传递首要解决的难题。根据生产经验而言，激光是满足日益复杂信息传递的最佳工具，因此催生了全光通信技术的发展。

目前研究的重点就是利用何种技术结合先进的光学材料来实现对于光信号的随意控制。上世纪末美国率先解决了对于光脉冲群速度的随意控制难题，实现了对于光信息的人工控制，这意味着光存储已经实现。

二、电磁感生透明及原子介质中的光群速减慢

电磁感生透明也是由美国科学家提出的新概念，电磁感生透明是种量子干涉效效应，电磁感生透明的意思是指在光吸收的介质中，假设用两个具有轻微失谐的光脉冲共同作用于该介质，在共振的情况下，光吸收介质就变为了光透明介质。一旦出现电磁感生透明现象，光脉冲的群速度也会相应降低，而且降低的幅度也比较大，并且可以将光信息以原子态的形式储存。现阶段研究人员提出要想实现电磁感生透明现象，必须要满足两个基本条件，其一就是必须有两束光，而且相位和频率必须固定，一束光作为控制光线，一般情况下都是脉宽比较宽的脉冲，另外一束则为信号光束，其光束的强度比控制光束的强度要小很多。再者两束光线必须都能与三能级原子介质发生相互作用，还必须满足共振条件。上述两种条件都能满足的光束能够使原子处于暗态，进而提高光介质的透明率。换句话说调整光的强度就能够控制原子介质的投射率，也就是色散情况，进而实现对于光脉冲信号群速度的控制。

电磁感生透明现象的发现，最为重要的应用就是控制光脉冲的速度，在此之前已经能够将光脉冲的群速度降低，但是降低的幅度较小，还不能满足人们生活生产的需要，电磁感生透明技术能够有效降低光脉冲的群速度，并且通过进一步的研究发现，利用相干操控技术，光脉冲群速度与慢光之间还能进行相互转化。

光存储的暗态极化声子理论及原子介质中的光存储

随着电磁感生透明技术的发展，人们不仅要控制光脉冲群速度，而且要让其完全停下来。如果能够将光脉冲的群速度完全的停止下来，就能实现全光通信中的光储存。经过人们不懈努力，现在终于能够通过冷原子和热原子实现将光脉冲的群速度完全的控制下来，光储存技术的关键就是要创设合适的环境，也就是说在对光脉冲群速度的完全停止过程中，绝热地关掉，并打开控制光束，对于绝热开关的过程其实就是光储存的过程。

目前德国科学家又提出一个新的概念叫做暗态极化声子，该概念已经能够定量的计算出操控光脉冲群速度并且将信息储存的具体方式，主要方法就是将光脉冲函数与原子函数共同组成一个波函数，当进行光储存过程时，在两束光束处于暗态的前提下，光脉冲与原子脉冲组成的新粒子将会稳定的传递，这其中最为关键的就是光脉冲携带的信息和原子态可以通过光强的改变而被人工控制，随着暗态极化声子技术的出现，大大缩短了人们研究光储存的时间，很快就有研究人员表示能够实现光脉冲的储存和自由释放，时间长达一毫秒甚至是两百微秒，并且随着研究的不断深入，光储存的时间还会更长。现阶段人们不单单是研究其他介质的光储存，而且将研究对象转向了固体介质中的光储存，并且已经在常温晶体中取得了较为明显的成就。

我国在光储存及光脉冲群速度的控制研究中，一直处于世界前列。对于电磁感生透明技术为代表的量子干涉技术的研究也一直在不断的深入中。我国率先提出了将电磁感生透明技术以量子形式储存应用在全光通信中这一概念。并且已经开始致力与研究多能级构型的原子介质中不同光束的相干控制及稀有气体原子的电磁感生透明现象，而且已经实现了长达二十五微秒的光储存。随着量子技术的发展，人们的研究范围也将突破现有的光脉冲储存，进一步扩大到远距离量子通信技术的研究。

三、总结语

现阶段人类在量子光学研究尤其是量子干涉中已经取得了巨大的成就，为全光通信的实现提供了技术可能，但是还有很长的研究之路要走，我们要在现有的基础上，继续深入研究量子干涉技术，争取早日实现全光通信。

参考文献

[1]罗有华.冷原子在静电势阱中的量子力学效应[J].物理学报. 2002

量子通信篇10

作为量子实验卫星先导专项首席科学家，潘建伟院士和他的团队在量子通信的研究道路上遭遇过怎样不为人知的挫折？在欧美众多实力强劲的国家中，潘建ネ哦游何选择奥地利作为量子通信项目的合作伙伴？作为量子通信领域的技术强国，中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者，而在此过程中，我国量子通信技术在发展过程中又有着怎样里程碑式的事件？

为获取这些问题的答案，我们邀请到了中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟，并对其进行了专题访问。

尖端科技背后的故事

潘建伟介绍，在量子通信技术的研发过程中，单个光量子的制备和探测是主要的两个技术难题。首先是制备单个光量子的技术难题。潘建伟举了一个非常形象的例子来解释这一关键技术的难度：一个十五瓦左右的普通灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可以达到百亿亿个，要想实现单个光量子的制备就如同在瞬间发射出来的百亿亿个光量子中捕捉到其中的一个，技术难度可想而知。另一个难题是单光子的探测。单个光子是光能量的最小单元，能量非常微弱，需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测的能力后，我们就可以实现安全的量子通信了。

量子信息的应用除了实现无条件安全的通信外，还可以带来计算能力的飞跃，这就需要把一个个的单量子纠缠起来。量子计算机的能力是随着纠缠粒子数目呈指数增长的，例如，有100个粒子的纠缠，每个粒子可以处于“0”和“1”的相干叠加，100个纠缠的粒子就可以同时处于2100个状态的叠加，这就相当于同时对2100个数进行操纵，计算能力大幅提升。把一个个粒子纠缠起来需要对它们之间的相互作用进行精确的控制，同时还要保证克服环境的干扰。潘建伟团队通过一种名为“光晶格”的实验装置成功攻克了这一技术难题，而“光晶格”捕捉单个原子的技术原理就如同把鸡蛋逐个放入蛋槽的过程，每个光晶格中只能容纳一个原子，再通过人为控制这些原子的相互作用，使得它们纠缠起来。虽然现在的技术水平已经发展到可以操纵数百个原子，但要实现数百个原子之间的量子纠缠态还有很长的路要走。潘建伟解释说，如果将几百个原子纠缠在一起，就能够演示量子计算机的基本功能了。

奥地利―梦开始的地方

据了解，此次“墨子号”量子通信卫星包含了国际合作任务，并选择了奥地利作为首个国际合作伙伴。为何偏偏选择奥地利？这还要从潘建伟的求学经历说起。

潘建伟在中国科学技术大学学习期间，第一次领略到量子世界的奇妙。但随着对量子研究的深入，他越发意识到量子理论中的各种奇特现象需要更加尖端的实验技术和条件才能够得到验证，而当时国内在这方面还相对落后。于是，在1996年潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学，师从奥地利物理学家Anton Zeilinger攻读博士学位。那时Anton Zeilinger教授已经建立了量子实验室，并且是量子物理学领域的国际权威。在奥地利，潘建伟和同事们完成了国际上首次实现光子的量子隐形传态的实验，这被认为是量子信息实验领域的开端。此后几年，潘建伟和同事们又先后实现了一系列量子信息领域的先驱性实验，这些宝贵的经历为以后潘建伟在量子通信领域的突破性贡献奠定了坚实的基础。潘建伟对奥地利的特殊感情还不止于此。潘建伟在奥地利求学期间，一直得到了奥地利外交部和学术交流机构的资助。博士毕业后，潘建伟又继续在维也纳大学实验物理所从事博士后研究，而维也纳大学正是薛定谔等量子力学的奠基人工作过的地方，无疑是量子力学的“圣地”之一。

所以，当昔日的老师主动提出加入我国的量子卫星计划时，奥地利便顺理成章地成了中国量子科学实验卫星项目的第一个国际合作伙伴。潘建伟提到，量子科学实验卫星会向全世界开放，在奥地利之后，德国、意大利、加拿大等国的团队也主动请求加入。

追寻量子通信发展的轨迹

潘建伟在接受采访时谈到，作为量子通信领域的技术强国，中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。回顾中国量子通信领域的发展历程，取得的优异成绩离不开先辈科学家们孜孜不倦的奋斗与拼搏。

潘建伟表示，我国在量子通信领域的研究起步较早，在上世纪90年代初就有郭光灿院士、张永德教授等老一辈科学家密切关注该领域的发展，并且中国科学技术大学已经发表了一些该领域的文章。潘建伟强调说，中国量子通信领域能够发展到今天这一步，与当时中科院与时俱进的敏锐眼光密切相关。他举例说，在他2001年回国组建实验室时，一切都是从零开始。当时，他向中科院申请了200万元的经费，而中科院基础局却拨了400万元。在中科院的重视和支持下，实验室的发展速度非常快，很快就有了一批由中国人完成的量子信息领域的重要成果。之后，中科院的支持力度又进一步加大，同时，国内其他团队也发展起来了。在2005年，国家的重大研究计划也开始注意到了量子调控，在中科院物理所的于渌院士、南京大学的闵乃本院士等科学家的建议下，量子调控成为国家重大研究计划的内容，到目前这一计划已经执行了十余年。正是由于国家的重点扶持，我国的量子通信技术才得以快速发展。近年来，中科院启动量子卫星项目，国家发改委启动“京沪干线”项目，为量子通信技术实现跨越式的发展注入了长足的动力。但同时潘建伟也表示，欧美等国家也相继启动了包括量子通信在内的量子专项计划，政府也给予了大力支持，所以我国在未来能否持续抢占量子通信领域的领跑地位，还需要不断创新、不断前进。