姓名：于川皓 學(xué)號(hào)：16140210089
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【嵌牛導(dǎo)讀】：量子通訊主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等，這門(mén)學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注?；诹孔恿W(xué)的基本原理，量子通訊具有高效率和絕對(duì)安全等特點(diǎn)，并因此成為國(guó)際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。
【嵌牛鼻子】：通信，量子
【嵌牛提問(wèn)】：量子通信將會(huì)給我們帶來(lái)什么？
【嵌牛正文】：量子通訊系統(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(lèi)。前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳態(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“完全”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：先提取原物的所有信息，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)成原物完全相同的基本單元，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全部信息，這個(gè)復(fù)制品不可能是完美的。因此長(zhǎng)期以來(lái)，隱形傳送不過(guò)是一種幻想而已。
1993年，6位來(lái)自不同國(guó)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)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，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(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)這個(gè)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)，因此，量子力學(xué)展現(xiàn)出許多反直觀的效應(yīng)。在量子力學(xué)中能夠以這樣的方式制備兩個(gè)粒子態(tài)，在它們之間的關(guān)聯(lián)不能被經(jīng)典地解釋?zhuān)@樣的態(tài)稱(chēng)為糾纏態(tài)，量子糾纏指的是兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間的非定域非經(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)作為信息載體，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“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。為了進(jìn)行遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，往往需要事先讓相距遙遠(yuǎn)的兩地共同擁有最大量子糾纏態(tài)。但是，由于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)隨著傳送距離的增加而變得越來(lái)越差。因此，如何提純高品質(zhì)的量子糾纏態(tài)是量子通信研究中的重要課題。
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。潘建偉等人發(fā)現(xiàn)了利用現(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，原則上解決了在遠(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(chēng)為“遠(yuǎn)距離量子通信研究的一個(gè)飛躍”。
發(fā)展史
1993年，C.H.Bennett提出了量子通訊的概念;同年，6位來(lái)自不同國(guó)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：將某一個(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)的粒子仍停留在原處。其基本思想是：將原物的信息分成經(jīng)典信息與量子信息兩部分，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)原物質(zhì)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；接收者在獲得了這兩種信息后，就可以制備出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。該過(guò)程中傳送的僅僅是原物質(zhì)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(wú)所知，而接收者是將別的粒子處于原物質(zhì)的量子態(tài)上。在這個(gè)方案中，糾纏態(tài)的非定域性起著極其重要的作用。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)和揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且能用量子態(tài)作為信息載體，通過(guò)量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)了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)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)上成功地把一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實(shí)驗(yàn)里傳輸?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。
2012年，中國(guó)科學(xué)家潘建偉等人在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定技術(shù)基礎(chǔ)。國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志8月9日重點(diǎn)介紹了該成果。“在高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達(dá)到1000公里以上，基本上解決量子通訊衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離信息傳輸問(wèn)題。”研究組成員彭承志介紹說(shuō)，量子通訊衛(wèi)星核心技術(shù)的突破，也表明未來(lái)構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)具備技術(shù)可行性。8月9日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志重點(diǎn)介紹了這一成果，代表其獲得了國(guó)際學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可?！蹲匀弧冯s志稱(chēng)其“有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的里程碑”、“通向全球化量子網(wǎng)絡(luò)”，歐洲物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站、美國(guó)《科學(xué)新聞》雜志等也進(jìn)行了專(zhuān)題報(bào)道。[1]
2017年9月29日，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開(kāi)通。當(dāng)日，結(jié)合“京滬干線”與“墨子號(hào)”的天地鏈路，中國(guó)科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信。這標(biāo)志著中國(guó)在全球已構(gòu)建出首個(gè)天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。“京滬干線”項(xiàng)目于2013年7月立項(xiàng)，于2017年8月底在合肥完成了全網(wǎng)技術(shù)驗(yàn)收。建成后的“京滬干線”，實(shí)現(xiàn)了連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥全長(zhǎng)2000余公里的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)北京接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與“墨子號(hào)”的連接，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)邁出堅(jiān)實(shí)的一步。[2]
研究突破
據(jù)《新科學(xué)家》雜志等媒體綜合報(bào)道，一支意大利和奧地利科學(xué)家小組[3]宣布，他們首次識(shí)別出從地球上空1500公里處的人造衛(wèi)星上反彈回地球的單批光子，實(shí)現(xiàn)了太空絕密傳輸量子信息的重大突破。這一突破表明在太空和地球之間可以構(gòu)建安全的量子通道來(lái)傳輸信息，用于全球通信。此研究成果發(fā)表在《新物理學(xué)雜志》（New Journal of Physics）上。
意大利帕多瓦大學(xué)的保羅·維羅來(lái)斯和愷莎爾·巴伯利領(lǐng)導(dǎo)此研究小組，成功地利用意大利名為馬泰拉（Matera）激光測(cè)距天文臺(tái)的1.5米望遠(yuǎn)鏡向地球上空1500公里處的日本阿吉沙（Ajisai）人造衛(wèi)星發(fā)射出光子并讓此衛(wèi)星將這些光子反彈回到了原始出發(fā)地。這標(biāo)志著無(wú)法偷聽(tīng)的量子編碼通信可望通過(guò)人造衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)。此消息將會(huì)大受全球通信公司和銀行的歡迎。
據(jù)某些說(shuō)法「在2007年6月，一個(gè)由奧地利、英國(guó)、德國(guó)研究人員組成的小組在量子通訊研究中通過(guò)創(chuàng)下了
量子通訊(4張)通信距離達(dá)144公里的最遠(yuǎn)紀(jì)錄」，但事實(shí)是1997年奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，2004年該小組利用多瑙河底光纖信道，成功地將量子態(tài)隱形傳輸距離提高到600米。最終在2012年利用西班牙加納利群島的良好環(huán)境在大氣中傳輸143公里。才打破了中國(guó)此前先后于北京和青海湖創(chuàng)下的16公里與97公里大氣內(nèi)傳輸世界紀(jì)錄。
而要達(dá)到更遠(yuǎn)的距離很難，因?yàn)榇髿馊菀赘蓴_光子脆弱的量子狀態(tài)。而巴伯利小組想出了解決辦法，通過(guò)人造衛(wèi)星來(lái)發(fā)送光子。由于大氣隨高度的增加而日趨稀薄，在衛(wèi)星上旅行數(shù)千公里只相當(dāng)于在地面上旅行8公里。
由于巨大的實(shí)用價(jià)值及技術(shù)的可行性已經(jīng)得到證明，中國(guó)已在多個(gè)場(chǎng)合宣布將于2015年發(fā)射人類(lèi)首顆量子通訊衛(wèi)星。同時(shí)將與奧地利合作進(jìn)行北京至維也納的人類(lèi)首次量子衛(wèi)星通訊試驗(yàn)，并試圖由此構(gòu)建兩地之間的量子通訊網(wǎng)絡(luò)。
另一方面，早前為證實(shí)地面能觀測(cè)到從軌道衛(wèi)星上發(fā)送回來(lái)的光子，奧地利研究小組從意大利馬泰拉（Matera）激光測(cè)距天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡向阿吉沙（Ajisai）人造衛(wèi)星發(fā)射出一束普通的激光。阿吉沙（Ajisai）人造衛(wèi)星由318面鏡片組成，從精確的鏡片上反彈回來(lái)的單批光子成功地回到了此天文臺(tái)。
參與此項(xiàng)研究的奧地利維也納的量子光學(xué)和量子信息研究所著名量子物理學(xué)家安頓·宰林格（Anton Zeilinger）認(rèn)為太空至地球的量子通信是一項(xiàng)可行技術(shù)。宰林格正在打造一個(gè)人造衛(wèi)星，用于產(chǎn)生糾纏光子，接收信息并對(duì)信息編碼，之后再將編碼的信息反射回來(lái)，以建立全球量子通訊網(wǎng)絡(luò)。
量子通訊是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子通訊學(xué)告訴人們，在微觀世界里，不論兩個(gè)粒子間距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的變化都會(huì)影響另一個(gè)粒子的現(xiàn)象叫量子糾纏，這一現(xiàn)象被愛(ài)因斯坦稱(chēng)為“詭異的互動(dòng)性”。科學(xué)家認(rèn)為，這是一種“神奇的力量”，可成為具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
量子通訊是經(jīng)典信息論和量子力學(xué)相結(jié)合的一門(mén)新興交叉學(xué)科,與成熟的通信技術(shù)相比，量子通訊具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強(qiáng)、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。量子通訊不僅在軍事、國(guó)防等領(lǐng)域具有重要的作用，而且會(huì)極大地促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。自1993年美國(guó)IBM的研究人員提出量子通信理論以來(lái)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局都對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行了深入的研究，歐盟在1999年集中國(guó)際力量致力于量子通訊的研究，研究項(xiàng)目多達(dá)12個(gè)。日本郵政省把量子通訊作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略項(xiàng)目。
