量子通信原理介紹
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量子通信最近是一個(gè)很熱門的話題,全球首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”擬于2016年8月中旬在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心擇機(jī)發(fā)射。
成功發(fā)射,中國(guó)將成為全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面
量子通信的國(guó)家,所謂量子通信是指
量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式,是近二十年發(fā)展起來(lái)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。
量子通信系統(tǒng)的基本部件
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
于量子隱形傳態(tài)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“
”的信息傳送。從物理學(xué)角度,可以這樣來(lái)想象隱形傳送的過(guò)程:先提取原物的
信息,然后將這些信息傳送到接收地點(diǎn),接收者依據(jù)這些信息,選取與構(gòu)成原物
的基本單元,制造出原物完美的復(fù)制品。但是,量子力學(xué)的不確定性原理不允許精確地提取原物的
信息,
復(fù)制品不
是完美的。
長(zhǎng)期以來(lái),隱形傳送不過(guò)是一種幻想而已。
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1993年,6位來(lái)自不同國(guó)家的科學(xué)家,提出了
經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)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(lái)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,
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
復(fù)制品。該過(guò)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)
量子態(tài)一無(wú)所知,而接收者是將別的粒子處于原物的量子態(tài)上。在
方案中,糾纏態(tài)的非定域性起著至關(guān)重要的作用。量子力學(xué)是非定域的理論,這一點(diǎn)已被違背貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí),
,量子力學(xué)展現(xiàn)出許多反直觀的效應(yīng)。在量子力學(xué)中
以這樣的方式制備兩個(gè)粒子態(tài),在
的關(guān)聯(lián)不能被經(jīng)典地解釋,這樣的態(tài)稱為糾纏態(tài),量子糾纏指的是兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)
的非定域非經(jīng)典的關(guān)聯(lián)。
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)
信息載體,通過(guò)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,在奧地利留學(xué)的中國(guó)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(guó)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“
”,
信息載體的光子本身并不被傳輸。最近,潘建偉
合作者在如何提純高品質(zhì)的量子糾纏態(tài)的研究中又取得了新突破。
進(jìn)行遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸,往往
事先讓相距遙遠(yuǎn)的兩地共同擁有最大量子糾纏態(tài)。但是,
存在各種不可避免的環(huán)境噪聲,量子糾纏態(tài)的品質(zhì)會(huì)隨著傳送距離的
而變得越來(lái)越差。
,如何提純高品質(zhì)的量子糾纏態(tài)是目前量子通信研究中的重要課題。
近年,國(guó)際上許多研究小組都在對(duì)這一課題進(jìn)行研究,并提出了一系列量子糾纏態(tài)純化的理論方案,但是沒(méi)有一個(gè)是能用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。最近潘建偉等人發(fā)現(xiàn)了
現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)驗(yàn)上是可行的量子糾纏態(tài)純化的理論方案,原則上
了目前在遠(yuǎn)距離量子通信中的根本問(wèn)題。這項(xiàng)研究成果受到國(guó)際科學(xué)界的高度評(píng)價(jià),被稱為“遠(yuǎn)距離量子通信研究的一個(gè)飛躍”。
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