最近掀起了量子热,那么请了解一下量子通信技术原理吧

2015-12-15 21:25:35 来源:N

在12月11日,欧洲物理学会新闻网站“物理世界”公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破,中国有两项入选,可喜可贺!

其中中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等完成的科研成果“多自由度量子隐形传态”名列榜首。据了解,潘建伟研究团队在国际上首次成功实现了“多自由度量子体系的隐形传态”,这项工作打破了国际学术界从1997年以来只能传输基本粒子单一自由度的局限,为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。

在此消息的鼓舞下,国内掀起一股量子热,EETOP作为一个有影响的传播电子行业信息及技术的公众号,有必要给大家普及一下量子通信这一高深技术的基本原理。

1. 量子通信到底是什么

       据了解,量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。谷歌对外的宣布与量子计算有关,而潘建伟教授的““多自由度量子隐形传态””涉及的科研成果则与量子通信有关。

       关于量子计算,就是一种依照量子力学理论进行的新型计算,量子计算的基础和原理以及重要量子算法,为在计算速度上超越图灵机模型提供了可能。

       关于量子通信,这是国家信息安全的“终极武器”,该技术作为一种绝对安全的通信方式,可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。由于量子通信具有超高安全、超大容量、超远距离保密通信、传输系统几乎无法破译等特点,世界各国都对此充满期待。而中国科学技术大学的研究成果,则让我国走在了该项技术的前沿。

潘建伟在报告中提到,目前在中科院的支持下,执行一个量子科学卫星的先导专项。现在正在进行研制,这颗卫星将于2016年上半年发射,在国际上率先实现高速的星地量子通信。这样的话,用光纤来做城域网,用卫星来做广域网,就可以构建天地一体化的广域量子通信网络。

潘建伟表示,“在信息科学方面,有信息安全的瓶颈。比如说芯片可以有后门,在光纤当中也可以对光路进行无感窃听,对服务器也可以进行窃听。世界上存在着各种各样的窃听和黑客攻击模式,人们一直在寻求一种在原理上可以无条件安全的通信模式。网络犯罪每年给全球带来数千亿美元的经济损失,这是美国战略和国际问题研究中心的评估,更不用讲在国防安全和其他方面的重要性了。”


2、量子通信的基本原理

2.1基本概念

       量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术,由量子论和信息论相结合而产生。从物理学角度看,量子通信是在物理极限下利用量子效应现象完成的高性能通信,从物理原理上确保通信的绝对安全,解决了通信技术无法解决的问题,是一种全新的通信方式。从信息学角度看,量子通信是利用量子不可克隆或者量子隐形传输等量子特性,借助量子测量的方法实现两地之间的信息数据传输。量子通信中传输的不是经典信息,而是量子态携带的量子信息,是未来通信技术的重要发展方向。

2.2 量子通信的主要组成部分

  量子通信主要由量子密钥分配( QKD,Quantum Key Distribution)、量子隐形传态(Quantum Teleportation)、量子安全直接通信(QSDC,Quantum Secure Direct Communication) 、量子机密共享( QSS,Quantum Secret Sharing) 等4个方面。

2.2.1量子密钥分配( QKD)

  量子密钥分配以量子态为信息载体,基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理,通过量子信道使通信收发双方共享密钥,是密码学与量子力学相结合的产物。QKD 技术在通信中并不传输密文,只是利用量子信道传输密钥,将密钥分配到通信双方。基于QKD 技术的保密通信系统架构如下图量子通信技术原理与发展前景解读

 基于QKD的量子保密通信系统

  目前,各国学者在理论上已经提出了几十种量子密钥分配方案,根据信号源的不同大概可分为三类:基于单量子的量子密钥分配方案;基于量子纠缠对的量子密钥分配方案;基于单量子与量子纠缠对的混合量子密钥分配方案。

2.2.2量子隐形传态


量子通信技术原理与发展前景解读

  量子隐形传态(Quantum Teleportation)又称量子远程传态或量子离物传态,是利用量子纠缠的不确定特性,将某个量子的未知量子态传送到另一个地方,然后将另一个量子制备到该量子态上,而原来的量子仍留在原处。其基本原理是利用量子纠缠对的远程关联,通过对其中一个纠缠量子和某一个未知量子态进行一些本地测量,实现这个未知量子态在另一个纠缠量子上再现出来。量子态传送过程是隐形的,通信过程中传输的只是表达量子信息的“状态”,而并不传输作为信息载体的量子本身,通信没有经历空间与时间,不发送任何量子态,而是将未知量子态所包含的信息传送出去。

2.2.3量子安全直接通信(QSDC)

  量子安全直接通信是指通信双方以量子态为信息载体,基于量子力学相关原理及量子特性,利用量子信道,在通信收发双方之间安全地、无泄漏地直接传输有效信息,特别是机密信息的通信技术。

  QSDC是量子通信技术的一个重要分支,主要用于直接传输机密信息。通信的收发双方无需事先建立安全密钥,就可以直接通过量子通道进行信息传输。QSDC与量子密钥分发的根本区别在于在量子信道中直接传递秘密信息,安全性要求比量子密钥分配高,但总体而言,QSDC方案还存在非实时及其量子信道信息所需要的纠缠态、量子存储等技术还不成熟的问题。

2.2.4量子机密共享(QSS)

  量子机密共享是传统的机密共享在量子通信中的运用和发展,传统的机密共享旨在对重要的密钥进行安全保护,使即便部分或全部密钥被第三方窃取也难以恢复出真实的密钥。其主要实现思路是,将原始密钥分割成多份,然后将多份密钥分别发给多个用户,每个用户都只能获取一份或多份密钥份额,只有在多个密钥分享者合作下,才能恢复出原始的密钥,不能满足上述条件的共享者将无法得到全部的密钥。通过使用机密共享方案,可以在分享机密信息的同时,防止不诚实用户的破坏企图。

  量子机密共享是多个通信方之间通过多量子纠缠态实现的量子通信,但现实应用技术难度大,还基本处在理论研究阶段。1999年,Hillery,Buzek和Berthiaume提出了首个量子机密共享方案,随后,各国学者又相继提出了大约十几种理论方案,包括共享一个未知态的一些方案,并于2001年在实验上进行了演示。

2.3量子通信的体系架构


  量子通信系统的基本模型如上图所示,其中,量子信源:以尽可能少的量子比特来表示输入符号,从而将要传输的信息转化成量子比特流;量子编码器:对量子比特流进行编码,达到数据压缩或加入纠错码对抗噪声的目的;量子调制器:使量子信号的特性与信道特性匹配;量子解调器:通过量子操作得到调制前的量子信息;量子传输信道:传送量子信号的通道;辅助信道:经典信道及其它附加信道;量子信道噪声:环境对量子信号影响的等效描述;量子译码器:把量子比特转化成经典信息;量子信宿:量子信息的接收方。目前,在量子通信系统的实际应用中,一般采用“量子信道+辅助经典信道”的方式完成非理想的量子密钥分发或量子密码通信,在经典信道辅助下,通信双方利用量子信道实现量子信息的交互和同步,获取量子密钥。


​3、量子通信技术的特点与优势

  量子通信与传统通信技术相比,具有如下主要特点和优势:具有极高的安全性和保密性,根据量子不可克隆定理,量子信息一经检测就会产生不可还原的改变,如果量子信息在传输中途被窃取,接收者必定能发现,量子通信没有电磁辐射,第三方无法进行无线监听或探测;时效性高传输速度快,量子通信的线路时延近乎为零,量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍,并且量子信息传递的过程没有障碍,传输速度快;抗干扰性能强,量子通信中的信息传输不通过传统信道,与通信双方之间的传播媒介无关,不受空间环境的影响,具有完好的抗干扰性能,同等条件下,获得可靠通信所需的信噪比比传统通信手段低30~40dB;传输能力强,量子通信与传播媒介无关,传输不会被任何障碍阻隔,量子隐形传态通信还能穿越大气层,既可在太空中通信,又可在海底通信,还可在光纤等介质中通信。


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