量子纠缠技术与量子通信

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摘要：本文首先简要描述量子纠缠技术，其次论述量子通信原理.最后提及量子通信发展的最新情况。

关键词：量子通信量子纠缠隔空传物

1、概论

量子技术于上个世纪八十年代诞生并在二十世纪末在国际学术界引起了巨大兴趣和高度重视。以量子纠缠为原理的量子信息技术突破了现有信息技术的物理极限，在通信科学领域中提供新的原理和方法。二十一世纪信息科学将从“经典”时代跨越到“量子”时代，其发展将对国民经济军事、国防安全等都有着直接而重大的影响，各国都将量子技术作为重大战略点投入并发展。

2、量子纠缠技术

量子纠缠是一种存在于多种量子系统中的一种子系统。从测量学的角度分析，量子纠缠的结果无法独立于单独的系统且必定联系其他系统的参数。通常，一个量子是无法产生纠缠态的，至少要有两个量子位。假设由C和D构成一个复合系统，如果其量子态不能表示为该系统的纠缠态，则此复合系统的波函数不能表示为该子系统的直积：

常见的纠缠态有：两个粒子构成的贝尔基，它两两相交且具有最大的纠缠态;三个粒子构成的GHZ纠缠态等。

量子纠缠的实质是一种微观的多系统之间的一种非定域的关联，它是传递量子信息的通道，这也是用于实现量子通信的基础。

3、量子通信技术

量子通信是以量子纠缠技术作为基础，通过量子纠缠所产生的连锁效应来实现信息传递的一种新型的通信方式。量子通信结合了量子论和信息论，主要应用于量子密码通信，远程传态等。

量子通信的信息单位称为量子比特(qubit)，它是两种逻辑态的叠加。在量子通信中，我们用量子态来表示信息，信息传递和信息处理中遇到的问题都采用量子理论来处理，其中，信息的传输是利用量子态在量子通道中的传送，信息的处理和计算是利用量子态的幺正变换，信息的提取是对量子系统进行测量。

我们看到，信息一旦量子化，则量子力学便成为了实现量子通信的物理基础，量子具有如下特性：

(1)量子的纠缠性。

(2)量子的不可克隆性。

(3)量子的叠加性和相干性。

在量子通信系统中，两个共享信息的人必须共享两个几乎一致的成对的量子(如光子)，当其中一个量子携带了信息，则此信息会消失或者重现在另一个光子上，以此实现“不加外力”方式传输信息。所谓的“不加外力”传输是指信息在一个地方消失，又能在另一个地方重现的过程。由于报文是一种“不加外力”方式传输信息，因此，量子通信中的发信者与收信者利用报文方式传输所共享的量子的数量取决于发送报文本身的长度。由于量子只能成对产生且只能在一对发送者和接受者之间进行传输，所以量子通信网络也只能是一个链路一个链路地建立。

量子通信的特点在于量子通信中的信息传递可以不通过通信双方之间的空间，从而使得通信不会受到空间环境的制约与影响;量子通信的传输线路时延可以为0，是最快的通信方式;量子通信中，第三方是无法进行干扰和偷听。信息的载体—量子，是完全只保存在通信双方处;量子通信不存在任何电磁辐射污染，属于环保型新技术。

4、量子通信前沿

量子通信的实现方式通常有两种：

(1)利用量子耦合技术，制造出多粒子的量子耦合态。

(2)利用生物技术，建立意识生物的意识器官之间的某种量子耦合。

今年五月，中国科学院成功实现了远距离量子通信隐态传输。量子的运动不遵循中学学过的牛顿定律和麦克斯韦电磁定律，也不遵循描述宏观物体运动规律的相对论。量子通信最突出的是不能同时满足实在性和定域性。由于量子处于所有可能状态的叠加态，当你以不同方式观测它时，它才明确呈现出特定的状态，呈现何种状态与观测者和观测方式有关。其实现量子通信隐态传输原理如下：第一，把相干的两个量子A和B分别传送到信息的发端和收端;第二，另取一个量子C(这个C就是要被传输的东西)，在发端对A和C做某种联合测量;第三，通过经典信道(比如打电话、发邮件等)把联合测量A与C的结果告知B;第四，收端在得知A与C联合测量的结果之后，做某种运算(或测量)，运算之后B的状态与C在测量之前的状态就一致了(在发端对A和C进行测量的瞬间，由于A和B是相干的，B的状态也受到了某种程度的影响，这种影响，是C的初始状态可以在B上还原的根本原因)。到此为止，量子C在发端消失了(对量子的测量会导致量子状态的变化，从这个意义上讲，测量之后的C已经不是原来的C了)，它又出现在收端(收端量子B的状态与原来C的状态相同，从这个意义上讲，C在收端重现了)。具体到物体从某地消失，瞬间又出现在另外的地方，从上面的解释可以知道，单从物理原理上说是可能的。更严格的说法是物体在某地被销毁，然后在另一地用相同的原料被重构。

与现在的通信方式相比，量子通信最大的特点是信道资源不再是瓶颈，甚至不再是有限的，量子信道的容量无限大，量子态传输的速度无限快，而且量子态的传输无法拦截，因而是绝对安全的。

参考文献：

[1]张镇九等.量子计算与通信加密[M].华中师范大学出版社，2003.

[2]陈志新等.量子保密通信及其发展[J].量子通信学报，2003.20(4)：385-390.

量子纠缠技术与量子通信