浅析量子通信技术的发展徐国艟

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1、浅析量子通信技术的发展徐国瞳乌鲁木齐城市轨道集团有限公司【摘要】量子通信技术作为一种新兴的通信技术，在保密性、通信距离以及通信容量这几个方面具有优势。木文主要谈谈量子通信的几种技术及发展。【关键词】量子通信技术发展随着科技发展，信息技术的进步面临严重问题。摩尔定律告诉我们硅芯片的性能每18・24个月提升一倍，集成电路容纳的元器件数目12个月也将增加一倍。尽管现在增加速度放缓，但随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，元器件的间距无限缩小、大小接近分子水平，其物理、化学特性将发生质变不能保证集成电路的正常工作，摩尔定律

2、将走到尽头。与此同时，信息网络安全问题也日显突出。通过对信息加密，可解决窃听、黑客攻击等问题，但随着信息技术的发展，计算能力大幅度提高，必定存在一种译码技术可以破解复杂的密码。美国战略和国际问题研究中心发布数据表示网络犯罪每年给全球带来高达4450亿美元的经济损失，信息安全在国防安全、商业机密等方面的重要性就更加突出了。1量子信息的基木概念1.1量子量子是构成物质的最基木单元，是能量的最基木携带者，其基木特征是不可分割性。1.2量子比特量子比特(quantumbit,简写为qubit或qbit),与经典比特(b

3、it)只能处在“0”或“1”的某一种状态不同，量子比特既可能处于0态，也可能处于1态，还可能处于这两个态的叠加态。量子比特的实现最常采用的是以光信号为载体，还可以是电子、原子核、超导线路和量子点等载体。光信号主要包括单光了和连续变量。单光了可以用垂肓偏振和45°偏振表示量了比特0>,用水平偏振和135°偏振表示量子比特l>；，还可以用光子的相位和光脉冲中的光子数来表示量子比特。连续变量可以用广义位置和广义动量的取值来表示量子比特。1.3量子纠缠纠缠是量子粒子之间的连接，是宇宙的结构单元

4、。在量子力学中能够制备这样两个纠缠的粒子态，当一个粒子发生变化，立即在另一个粒子中反映出来，——不管它们之间相隔多远。量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的强关联。1.4量子隐形传态量子隐形传态是将量子纠缠特性作为通信信道使用，从而实现任意未知量子态传输的一种技术，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息。量子隐形传态的基本原理，就是对待传送的未知量子态与EPR对的其中一个粒子实施联合Bell基测量，由于EPR对的量子非局域关联性，此吋未知态的全部量子信息将会“转移”到EPR对的第二个粒子上

5、，根据经典通道传送的Bell基测量结果，对EPR的第二个粒子的量子态进行相应的幺正变换，使之变为与所传送的未知态完全相同的量子态，从而达到量子态的转移。在传送过程中，原物始终留在发送者处，接收者是将别的物质单元制备成为与原物完全相同的量子态,双方对这个量子态一无所知。经典信道传送的是发送者的测量结果，不包含未知态的任何内容。1.5量子通信协议量子通信协议是指量子通信的双方完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。量子通信协议按照通信任务目标可分为隐形传态、密集编码和量子保密通信协议。BB84协议是最早提出的量子保密

6、通信协议，也是最接近实用化的量子通信协议。BB84协议示意图如图loBB84协议使得两个经过认证的通信双方在遥远的两地可以连续地建立密钥，进而通过一次一密密码本加密协议实现安全通信。它以“海森堡不确定性原理”和“未知量子态的不可克隆性”的特性为基础，开辟了密钥分发和保密通信的方向。目前BB84协议正在向性能稳定、高速成码、网络化的产业化方向发展。2量子通信的几种技术简介2.1量子信号的产生技术量子信号的产生技术包括纠缠光子信号的产生技术、单光子信号的产生技术和连续变量量子信号的产生技术。用光子晶体光纤产生纠缠的

7、技术，系统有稳定、易于集成的优点，在未来的中短距离量子通信中，将占主导地位。目前技术上较为成熟的弱相干准单光子源技术被广泛用来实现BB84等量子保密通信协议。压缩态、纠缠态、相干态产生技术是连续变量量子信号产生技术，用来实现连续变量量子通信协议。2.2量子信号的调制技术在量子通信中，不同的量子态资源决定了不同的量子信号调制方式。单光子量子信号的调制常用偏振调制、相位调制和频率调制，连续变量量子信号的调制常用高斯调制和离散调制。2.3量子信号的探测技术在量子通信系统中，接收端中最重要的器件是量子信号探测系统。单光

8、子探测器属于量子通信系统中的单光子信号探测技术，半导体雪崩光电二极管单光子探测器是实际系统中用得比较多的单光子探测技术。连续变量量子通信是将信息加载到光场的正交振幅和正交相位上的，它不同于单光子只是一个单纯的强度测量，而是需要借助一束本地光进行干涉测量。平衡零拍探测器是专门进行光场两正交分量测量的连续变量体系的探测技术。2.4量子中继技术由于量子信号的不可克隆性，量子通信无法直接采用经