量子通信的基本原理和特点探析

　　摘 要 介绍了卫星量子通信这种新的通信方式的基本原理、特点，及其在我国成功应用实例。因量子通信具有绝对安全和效率极高的特点，可以预测量子通信未来有望在金融、外交、政务等方面使用。
　　
　　关键词 量子发生器 量子通道 量子纠缠 量子态 坍塌 薛定谔猫 量子比特 隐形态。
　　
　　Abstract: Introduces the basic principle and characteristics of satellite quantum communication, which is a newcommunication method, and its successful application. Since quantum communication is absolutely safe and highlyefficient, we can expect that quantum communication can be applied in financial, diplomacy and political areas.
　　
　　Keywords: quantum generator; quantum channel; quantum entanglement; quantum state; collapse; schrodinger cat;quantum bit; invisible state.
　　
　　1 概述。
　　
　　量子通信 （Quantum teleportation） 是指利用量子纠缠效应进行信息传输的一种新型通信方式，1982年由法国物理学家艾伦·爱斯派克特发现，他还证实了微观粒子“量子纠缠”现象的存在，量子通信的特点是高效率、绝对安全，实现通信所需的基本硬件主要为量子态发生器、量子信道和量子测量设备。量子通信是近 20 年发展起来的新型通信方式，是量子论和信息论相结合的一种新型研究领域。1997年中国学者潘建伟与荷兰学者波密斯特合作，首次实现了未知量子态的远距离传输，将一个量子态从甲地传送到乙地的光子上，该实验证实传输的只是量子信息的状态，对于信息载体的光子本身并未传送。
　　
　　量子通信系统按其传输的信息可分为两类，一是经典信息传输，主要用于量子密钥的传输 ;二是量子信息传输，主要用于量子隐形态和量子纠缠的分发。该传输方案的基本思路是，将原物的信息分成经典信息和量子信息，分别经经典通道和量子通道传输给接受者。经典信息由发送者对物体进行测量而获得，量子信息是发送者未提取的信息，接受者获得这两种信息后，就可制备出原物体量子态的完全复制品。此过程传输的仅仅是原物的量子态，而非是原物本身。量子隐形态不仅对人们在物理学领域掲示自然界的神秘规律有重大意义，而且还可使不可破译的量子保密通信成为现实。
　　
　　2 量子通信的基本原理。
　　
　　量子通信主要依据量子纠缠态的理论，利用量子隐形态传输方式实现信息传输。实验证明，在微观世界里具有纠缠态的两个粒子，它们无论相距多远，即使是南极或北极，只要一个粒子状态发生变化，另一个粒子状态也会瞬间发生变化，利用这种特性实现量子通信的具体过程是 :通信前事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信的甲乙双方，然后在发送方将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量，这时接收方的粒子瞬间发生坍塌 （ 一种变化 ） 而且坍塌为某种状态，神奇的是这种状态与发送方的粒子坍塌后的状态是对称的。这时再将联合测量的信息通过经典信道传输给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换 （ 也就是逆转变换 ），这时在接收方即可得到与发送方完全相同的未知量子态。
　　
　　量子纠缠是量子通信的核心，可用“薛定谔猫”比喻来帮助理解，即用猫的死活解释量子纠缠。当两只猫处于纠缠状态时，即便将它们放在两地，都会出现奇怪状态，也就是甲地猫是“死”时，乙地猫一定是“活”的，反之依然。也可用另一种通俗方法来解释量子纠缠实现信息传输，有两个人相距很远，而且互不相识，也未见过面，突然在某时刻两人会不约而同的做同一件事，好像他们之间有一根绳牵着一样，这种神奇的现象就是所说的“心灵感应”.与此一样所说的量子纠缠，就是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间有着纠缠关系，不管他们相距多远，也不知它们在何处，只要一个粒子状态发生变化，另一个粒子状态一定立即发生变化，量子通信就是利用量子纠缠效应进行信息传输的一种新型通信方式。
　　
　　3 量子通信的特点。
　　
　　3.1 绝对安全。
　　
　　量子密码是构建“数字城堡”的铜墙铁壁。众所周知，不同国家的军队和情报部门之间，无时不在进行着间谍战，千方百计夺取对方的情报，破解对方的密码，情报人员都在斗智斗勇，这是现代电子时代或现代信息化时代斗争非常激烈的情报战。目前电子信息密码大都采用单项数学函数的方法，应用了因数分解或其他复杂的数学原理编码。例如Internet 和银行系统应用的 RSA 密码，就是应用因数分解的方法编码的。利用现代计算机要计算两个大质数的乘积非常容易，但要将两个乘积分解回原大质数却很难，这就是说 RSA 密码很难破解。其原因是电子计算机运算速度慢，若要破解密码需要计算很长时间，或即使是计算完了，密码也破解了，但时间已过毫无价值。
　　
　　若用量子计算机进行量子计算，RSA 密码体系就很快被破解，还有人提出“量子搜寻”算法，它可将常规计算机 1 000 年的计算量，只需 4 min 就可完成。在现代战争中，假如一个国家有了量子计算机，而另一个国家没有，就如同一个眼睛正常人与一个瞎子打架一样。量子计算机的出现，对传统电子密码是一个颠覆性的打击，也可以说传统密码将无法存在。但是在量子通信中，采用量子态作为密钥，就具有不可复制性，也就无法破译，这就是量子密码的出现使信息传输实现了绝对安全。为什么量子密码不会被破解呢？因为量子通信密码不是预先设定的，它是随通信的时机随机产生的，故窃取者无法获得量子密码。
　　
　　量子密钥分发大致分为以下几步 :