量子通信原理及应用前景.ppt

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1、量子通信原理及应用前景简介无线通信小班讨论物联工程1102胡标传统通信的缺陷与量子通信现在人们广泛使用着多种通信方式，这些通信技术为人类社会的进步发展提供强大助力，可以说没有这些通信方式就不会有今天人类社会的繁荣局面。但是在这些通信技术手段为人们带来巨大帮助的时候，却始终有一个问题难以得到有效解决，那就是通信中的保密问题。今天，人类已经开发研究出了新的通信技术，量子通信技术，其在理论上是可以保证绝对保密的通信技术手段。这也是今天我向大家讲解介绍的内容。传统通信的缺陷与量子通信传统的通信技术包括最原始的诸如烽火等依靠声光传播信息的手段，以及现代各种

2、有线无线通信手段，如光纤，微波通信等等。除开信使与直接会晤这种效率极低下的通信方式外，其余所有的通信方式都无法真正避免通信内容在通信双方不知情的情况下被窃听者获取。实际中人们利用加密的方式传送信息，发送者通过密钥将需要发送的信息转化为密文，接收者再通过密钥将密文转化为可以直接读取的信息。传统通信的缺陷与量子通信然而这种形式的信息传送也并不安全。首先双方需要分配密钥，传统的信息传送方式除了效率极低的信使或会晤外，都无法避免密钥的泄露。而且几乎所有的密码都存在被破解的可能，因而需要时常更换密码。而现代商业或航天活动中这显然又面临着密钥泄露或密钥难以甚至

3、无法传送的矛盾。传统通信的缺陷与量子通信现代网络商业上常用的是非对称密钥。发送方的密钥是公开的，而接收方的密钥则只有接收者知晓。该体制的安全性是基于大数因式分解这样一类不易计算的单向函数。比如1977年,美国出了一道解密题,其解密需要将一个129位数分解成一个64位和一个65位素数的乘积,估计用当时的计算机需要用4×1016年。但是随着计算机计算能力的不断发展，这样的密码机制变得越来越不安全。上面的那道解密题到了1994年,只用8个月就能解出。尤其是Shor量子算法证明,采用量子计算机可以轻而易举地破译这种公开密钥体系。目前世界上只存在一种被证明无

4、法破解的密码，Vernam密码体制，但是这事实上是一种一次性密码，且密钥长度与密文长度相等。这种密码的实际使用需要传送的绝对保密性。传统通信的缺陷与量子通信传统通信的缺陷与量子通信随着现代计算机的计算能力的飞速发展，现在的常用密码体制终究有一天会变得无密可言。解决现在的通信保密难题的途径只有两条，即确保通信内容不被己方不知的情况下被窃听，或是使用Vernam体制密码。然而这些都是传统的通信手段所无法做到的。但是，量子通信却可以做到这些。目前，量子通信尚无严格的定义。物理上，量子通信可以被理解为在物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信。信息学上，我

5、们则认为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不可克隆原理和量子态的测量塌缩性质等）或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。量子通信原理简介量子通信的安全性源于量子力学的基本原理。一是不确定性原理，也称测不准原理，即不可能同时精确测量两个非对易的物理量，如量子的坐标和动量。二是测量塌缩原理，即对量子态进行测量会不可避免地使该量子态塌缩到某一个本征态上，这意味着对量子态进行测量都会留下痕迹。三是不可克隆定理，即一个未知的量子态是无法被精确克隆的。此外还有量子纠缠态，相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一

6、个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的现象量子通信原理简介量子隐形传态所谓量子隐形传态利用了纠缠态粒子之间的特殊“心灵感应”，即不论相隔多远，只要两个粒子仍然保持着纠缠态，其中一个发生了变化，另一个一定发生相应的变化。1993年，Bennett等来自四个国家的六位科学家演示了第一种量子隐形传态方案，其过程如下Alice与Bob分别拥有一对纠缠粒子对2,3中的2与3.Alice要向Bob发送消息，Alice对某粒子1的当前状态未知，她将联合测量粒子1与2。因为测量，所以粒子1与2发生了变化，由于2与3是纠缠态粒子，于是3也会发生相应

7、的变化。Alice通过经典信道将测量结果告诉Bob，Bob对3进行一系列操作将能得到粒子1的最初状态。量子通信原理简介量子隐形传态需要说明的是，Alice处的粒子1失去其测量前的状态，而远在Bob处的某粒子则获得了粒子1的初始状态，该过程的净结果是粒子1的状态未进过物质传递，转移到了Bob处。粒子2变化的同时粒子3也会发生变化，实验证明纠缠态粒子之间的反应速度>107C，然而量子的隐形传态需要经典信道的辅助传送测量结果，其上的时间消耗与Bob处的操作时间决定了量子隐形传态不可能超光速。量子通信原理简介概率隐形传态在Bennett等人提出的标准量子隐

8、形传态方案中,采用最大纠缠态作为量子通道来传送未知量子态,隐形传态的成功率必定会达到100%,但是在实际中由于量子态和周围