基于量子糾纏的量子通信技術(shù)

黃哲

一、概論

量子是現(xiàn)代物理的重要概念，與經(jīng)典物理有根本的區(qū)別，提供了全新的原理和思考方式。量子具有不確定性和不可測量性，量子的世界不遵循經(jīng)典物理學(xué)定律，因此人們對量子世界的探索存在很多困難。通過科學(xué)家的不斷探索，在量子信息研究領(lǐng)域有了許多的突破，其中產(chǎn)生了量子通信這一新興技術(shù)。目前量子通信主要有兩種應(yīng)用，一種是較為成熟的量子密碼通信，一種是量子隱形傳送。2012年度諾貝爾物理學(xué)獎，法國科學(xué)家塞爾日·阿羅什與美國科學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)原子的測量和控制，阿羅什的工作是打造出一個(gè)微波腔，借助單個(gè)原子在微波腔中會輻射或吸收單個(gè)光子的特性，實(shí)現(xiàn)了操縱單個(gè)光子。而維因蘭德則制造出了一個(gè)離子阱，先用光來俘獲離子，然后用激光冷卻離子，進(jìn)而對離子進(jìn)行測量和控制。量子計(jì)算和精密測量有了變成現(xiàn)實(shí)的可能性。

二、量子糾纏

Hilbert空間是歐幾里德空間的一個(gè)推廣，不再局限于有限維，是一個(gè)完備的空間，其上所有的柯西序列等價(jià)于收斂序列，從而微積分中的大部分概念都可以無障礙地推廣到Hilbert空間中。能用Hilbert空間中的一個(gè)矢量表示的量子系統(tǒng)稱為純態(tài)，反之，如果不是處于確定的態(tài)而是以某一種幾率分布的，稱之為混合態(tài)。通常量子比特表示為：|Ψ〉=α|0〉+β|1〉，|α|2+|β|2=1（疊加態(tài)形式）。兩個(gè)純態(tài)|Ψ1〉和|Ψ2〉的線性疊加所描述的量子態(tài)|Ψ〉=c1|Ψ1〉+c2|Ψ2〉對應(yīng)Hilbert空間的一個(gè)矢量，也是一個(gè)純態(tài)。經(jīng)過測量的量子態(tài)會坍縮到|0〉或|1〉，這個(gè)過程是不可逆的。這是二維Hilbert空間中量子態(tài)的描述，類似于三維球面上的一個(gè)點(diǎn)。在具有n個(gè)量子態(tài)的系統(tǒng)中，狀態(tài)空間由2n個(gè)基向量組成。在未對系統(tǒng)進(jìn)行操作之前，量子態(tài)可能為2n中的一個(gè)，與經(jīng)典存儲系統(tǒng)相比，量子系統(tǒng)能在某一時(shí)刻保持2n個(gè)狀態(tài)，因此量子系統(tǒng)具有更大的計(jì)算潛力。愛因斯坦不愿承認(rèn)并稱之為“幽靈般的超距作用（spooky action at a distance）”的量子糾纏，指兩個(gè)相互獨(dú)立的粒子可以相互影響，對其中一個(gè)粒子進(jìn)行觀測可以即時(shí)地影響到其它粒子，無論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。量子糾纏描述了量子子系統(tǒng)相互影響的現(xiàn)象，對一個(gè)子系統(tǒng)的測量瞬間影響了其他子系統(tǒng)的狀態(tài)。一個(gè)由|ΨA〉和|ΨB〉兩個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)合系統(tǒng)|Ψ〉，如果可以表示為|ΨA〉×|ΨB〉，則|Ψ〉處于直積態(tài)，否則處于糾纏態(tài)。常見的糾纏態(tài)有：兩個(gè)粒子構(gòu)成的bell基，三個(gè)粒子構(gòu)成的GHZ態(tài)等。二粒子純態(tài)糾纏的研究最為完善，bell態(tài)是量子通信中最基本的糾纏資源。處于bell態(tài)的兩個(gè)糾纏粒子稱為EPR對。四維Hilbert空間中的正交完備基稱為bell基。在量子通信中，最常用的測量方法是bell基測量。

三、量子糾纏的應(yīng)用

目前量子通信的兩種主要方式：量子密碼通信和隱形傳送。量子密碼或量子密鑰分配是利用了觀測一般會干擾被觀測系統(tǒng)的量子力學(xué)原理來實(shí)現(xiàn)的。量子的不可分割性和量子態(tài)的不可復(fù)制性保證了信息的不可竊聽和破解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)根本上、永久性解決信息安全問題的目標(biāo)。量子隱形傳態(tài)需建立在經(jīng)典物理信道的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)。在研究量子領(lǐng)域早期，人們最感興趣的一個(gè)問題是能否利用量子糾纏實(shí)現(xiàn)超光速通信，這個(gè)問題的答案是否定的，原因在于量子的不可克隆性，僅依靠量子糾纏系統(tǒng)無法傳遞具體信息，要將原量子態(tài)的全部信息提取出來，需分別根據(jù)其經(jīng)典信息和量子信息來構(gòu)造，因此無法實(shí)現(xiàn)瞬間傳輸。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏態(tài)作為通道， 利用量子作為載體， 把信息從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方。量子隱形傳態(tài)的任務(wù)可以簡單地描述為：假設(shè)存在一對共享的量子比特為 A、B，利用A、B來傳送量子態(tài)C。將A、B分別置于系統(tǒng)的兩端，現(xiàn)將量子比特A和C作幺正變換，測量后得到兩個(gè)經(jīng)典量子比特的信息，在這個(gè)過程中兩個(gè)量子比特被破壞。量子比特B現(xiàn)在包含了關(guān)于C的信息，但觀測者仍無法得到C的任何信息，量子比特B處于四個(gè)任意的量子態(tài)之一?，F(xiàn)在需通過經(jīng)典通信通道將A的測量結(jié)果發(fā)送到B端，根據(jù)A的測量結(jié)果，對B作相應(yīng)的幺正變換， 此時(shí)量子比特B的狀態(tài)變?yōu)镃，實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)的傳送。

四、量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

理想量子通信與傳統(tǒng)通信相比，有著安全、無障礙通信等優(yōu)勢，但目前仍難以實(shí)現(xiàn)，量子測量、量子態(tài)的控制仍在不斷完善，基于糾纏的量子隱形傳態(tài)方式仍處在實(shí)驗(yàn)室階段。2012年6月，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級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”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。2016年8月16日，中國國成功發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域又邁出重要一步?！澳犹枴钡闹饕茖W(xué)目標(biāo)是借助衛(wèi)星平臺，進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破。并在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。量子技術(shù)的迅速發(fā)展，預(yù)示著量子科技的無線前景，將給人類生活和生產(chǎn)帶來革命性的成果，對國防、對經(jīng)濟(jì)有著重要影響。因此，我們應(yīng)加快量子通信技術(shù)實(shí)用化進(jìn)程，在國際技術(shù)競爭中占據(jù)有利地位。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 《量子安全通信與量子信道理論有關(guān)問題的研究》王敏杰

[2] 《量子糾纏技術(shù)與量子通信》1007-9416（2012）10-0060-01舒娜 石際

[3] 《量子態(tài)的可分性與量子糾纏度量》黎小勝

[4] 《高維量子糾纏態(tài)的制備及其在量子通信中的應(yīng)用》葉欣露