什么是量子通信

什么是量子通信

量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。

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WT-1量子路由器與WT-2量子交換機(jī)

量子通信是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。目前量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等，近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展。

量子通信系統(tǒng)

量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測(cè)量裝置。按其所傳輸?shù)男畔⑹墙?jīng)典還是量子而分為兩類。前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳送和量子糾纏的分發(fā)。所謂隱形傳送指的是脫離實(shí)物的一種"完全"的信息傳送。

量子通信發(fā)展史

1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位來自不同國家的科學(xué)家，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的方案：將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方，把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)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(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息；接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對(duì)這個(gè)量子態(tài)一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態(tài)上。在這個(gè)方案中，糾纏態(tài)的非定域性起著至關(guān)重要的作用。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J(rèn)識(shí)與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。

1997年，中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國際上首次在實(shí)驗(yàn)上成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)量子信息的"狀態(tài)"，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。
量子通信--以實(shí)驗(yàn)駁倒愛因斯坦

在2008年8月14日出版的最新一期《自然》雜志上，瑞士的5位科學(xué)家公布了他們的這項(xiàng)最新研究成果。瑞士科學(xué)家表示，原子、電子以及宇宙空間其他所有的微觀物質(zhì)都可能會(huì)表現(xiàn)出異常奇怪的行為，其行為規(guī)律可能與我們?nèi)粘Ｉ钪袀鹘y(tǒng)的科學(xué)規(guī)律完全背道而馳。比如，物體可以同時(shí)存在于兩個(gè)或多個(gè)場(chǎng)所；可以同時(shí)以相反的方向旋轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象也許只有通過量子物理學(xué)來解釋。量子物理學(xué)認(rèn)為，任何事物之間都可能存著某種特定的聯(lián)系。發(fā)生于某一物體之上的事件，可能同時(shí)對(duì)其他物體也會(huì)產(chǎn)生影響。這種現(xiàn)象稱為"量子糾纏"。不管物體之間的距離有多遠(yuǎn)，同樣存在"量子糾纏"的關(guān)系。

愛因斯坦堅(jiān)決反對(duì)"量子糾纏"理論，甚至將其戲稱為"遙遠(yuǎn)的鬼魅行為"。根據(jù)量子力學(xué)理論的描述，兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都能"感知"和影響對(duì)方的狀態(tài)。幾十年來，物理學(xué)家試圖驗(yàn)證這種神奇特性是否真實(shí)，以及決定它的幕后原因。其實(shí)，我們可以運(yùn)用形象化的說明來解釋這種現(xiàn)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(hào)，從而對(duì)其伙伴產(chǎn)生影響。此前，已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)傳統(tǒng)物理學(xué)領(lǐng)域中某種隱藏信號(hào)的存在，從而打消了人們對(duì)于這種隱藏信號(hào)的種種疑問。但是，仍然有一個(gè)奇怪的可能性沒有得到證實(shí)，即這種未知信號(hào)的傳輸速率可能會(huì)比光速還要高。

為了證實(shí)這種可能性，瑞士科學(xué)家開始著手對(duì)一對(duì)相互糾纏的光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先，研究人員們將光子對(duì)拆散；然后，通過由瑞士電信公司提供的光纖向兩個(gè)村莊接收站進(jìn)行傳送，接收站之間相距大約18公里。沿途光子會(huì)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的探測(cè)器，因此研究人員能夠隨時(shí)確定它們從出發(fā)到終點(diǎn)的"顏色"。最終，接收站證實(shí)每對(duì)相互糾纏的光子被分開傳送到接收站后，兩者之間仍然存在糾纏關(guān)系。通過對(duì)其中一個(gè)光子的分析，科學(xué)家可以預(yù)測(cè)另一光子的特征。在實(shí)驗(yàn)中，任何隱藏信號(hào)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(zhǔn)確地檢測(cè)到光子。由此可以推測(cè)任何未知信號(hào)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，并且還堅(jiān)持認(rèn)為不可能存在比光速還要快的信號(hào)，任何比光速快的"鬼魅似的遠(yuǎn)距作用"都是不可思議的。根據(jù)1905年出版的愛因斯坦的相對(duì)論，他認(rèn)為沒有物體的運(yùn)動(dòng)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(gè)基本常數(shù)：對(duì)于空間內(nèi)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(duì)論解釋說，當(dāng)物體加速時(shí)，物體本身的質(zhì)量增加，而加速需要能量。隨著物體質(zhì)量的增加，維持速度所需的能量也更多。當(dāng)物體以接近光速運(yùn)行時(shí)，愛因斯坦經(jīng)過計(jì)算說，它的質(zhì)量將達(dá)到無限大，所以要使得物體繼續(xù)運(yùn)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(xué)家們從實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論，既可以反駁愛因斯坦的"錯(cuò)誤"觀點(diǎn)，也可以用來解釋同一事物同時(shí)出現(xiàn)在不同地點(diǎn)這一奇異現(xiàn)象。愛因斯坦都無法解釋的奇怪行為，正是量子物理學(xué)和量子通信的魅力之處。

量子糾纏（quantum entanglement），又譯量子纏結(jié)，是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，其定義上描述復(fù)合系統(tǒng)（具有兩個(gè)以上的成員系統(tǒng)）之一類特殊的量子態(tài)，此量子態(tài)無法分解為成員系統(tǒng)各自量子態(tài)之張量積（tensor product）。

具有量子糾纏現(xiàn)象的成員系統(tǒng)們，在此拿兩顆以相反方向、同樣速率等速運(yùn)動(dòng)之電子為例，即使一顆行至太陽邊，一顆行至冥王星，如此遙遠(yuǎn)的距離下，它們?nèi)员Ｓ刑貏e的關(guān)聯(lián)性（correlation）；亦即當(dāng)其中一顆被操作（例如量子測(cè)量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。如此現(xiàn)象導(dǎo)致了 "鬼魅似的遠(yuǎn)距作用"（spooky action-at-a-distance）之猜疑，仿佛兩顆電子擁有超光速的秘密通信一般，似與狹義相對(duì)論中所謂的局域性（locality）相違背。這也是當(dāng)初阿爾伯特·愛因斯坦與同僚玻理斯·波多斯基、納森·羅森于1935年提出以其姓氏字首為名的愛波羅悖論（EPR paradox）來質(zhì)疑量子力學(xué)完備性之緣由。

量子糾纏的應(yīng)用--量子信息學(xué)

1.量子通信-量子隱形傳輸

2.量子計(jì)算-量子計(jì)算機(jī)：量子計(jì)算在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上有嚴(yán)重的挑戰(zhàn),實(shí)現(xiàn)這一問題要解決另外三個(gè)問題：一是量子算法 二是量子編碼 三是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理體系。

3.量子保密通訊-量子密碼

目前，我國科學(xué)家潘建偉已經(jīng)成功的制備了5粒子最大糾纏態(tài)，領(lǐng)先其它國家。