自由空间量子通信实验研究与进展.pdf

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1、!第!"卷!第#期!#$$"年#月!)P自由空间量子通信实验研究与进展"单!欣!!!$!孙献平!罗!军!詹明生!;中国科学院武汉物理与数学研究所!波谱与原子分子物理国家重点实验室!武汉K(""’!$;中国科学院研究生院!武汉K(""’!摘要!!量子通信的安全性是基于>52V56F5H7测不准原理&单光子不可分割性和量子不可克隆定理!它遵从物理规律!是绝对安全的;近年来量子通信技术的迅速发展加快了量子通信的实用化进程;文中综述自由空间量子通信实验研究进展!简要介绍几种量子编码协议&不同类型单光子源的量子通信实验!说明全球量子通信的实现可能存在的问题与技术挑战!展

2、望了自由空间量子通信的未来;关键词!!量子通信!量子编码协议!自由空间量子通信!单光子源!!$"世纪以来!随着信息交流的密切!对信息安(!量子通信的基本原理全的要求也愈加严格!因而出现了一门新兴的学科***密码学!它的研究目的是如何防止非法的第量子通信传送的是密钥而非密文本身!是一个三方窃听通信双方之间的信息;早在上世纪人们就量子密钥的分发过程!作为标准对称密码体系的补提出了多种加密方式!其中最著名的是b5H610密充;由于量子通信的安全性依赖于量子力学中的码和公钥密码;但随着科学技术的日新月异!这些>52V56F5H7测不准原理%单光子不可分割性和量子加密方

3、式渐渐不能满足人们对它们的基本要求***不可克隆定理!它们都客观存在于任何微观量子体安全%有效;因此!对更加安全有效加密方式的需系中;根据这些原理!测量通常会对被测体系引入&!’求导致了量子通信的诞生;!P#(年,量子钞票-干扰!因此无法得到体系测量前状态的完整信息!概念的首次提出!将量子力学和传统密码术相结所以说量子通信遵从物理规律!是无条件安全的;合!开创了量子密码时代;受这种思想的启发!现在实验演示中!发送方"M32<5$向接收方"L9F$在已提出多种量子密码协议!从此量子通信实验研发送一系列随机的量子态!L9F随机地对这些量子究逐渐兴起并在近$"年里获

4、得了迅速发展;迄今态进行测量!然后!M32<5和L9F由经典通信得到&$’为止正式报道的最远距离的量子通信是D9FF‘等最终密钥;而窃听过程相当于一个测量过程!一旦在$""K年实现的!$$^0光纤中的量子通信实验演窃听者"/_5$进行了窃听操作!必然会在量子通信&(’示;A/,公司已成功进行了!%"^0光纤里单光过程中引入误码!增加误码率!M32<5和L9F就一&K’子传送演示!=9等也完成了室内!%"^0和室外定能发现/_5的存在;通过量子通信产生的密钥是北京到天津!$%^0的光纤量子通信实验;与此对绝对安全的!现行的应用演示中都是将得到的量子&%’应!自由

5、空间的量子通信距离已达$(;K^0;这密钥通过一次一密的方式对文字文件或者图片等信些量子通信演示实验距离上的突破预示了量子通信息明文进行加密!密文通过经典方式在通信双方之实用化的可能性;间进行传输而不存在失密的危险;!$""%&")&$#收稿!$""%&"P&"%收修改稿!"国家重点基础研究发展规划"批准号#$""!,L("P(""$及国家自然科学基金"批准号#)"K’’"K($资助项目!/&0123#VU16W26!]240;1<;<6!第!"卷!第#期!#$$"年#月!’"基中的基矢进行测量!得到完全随机的结果;因此!*!量子密码协议和编码方式可消除它测量

6、前具有的全部信息;光子的偏振态可以目前在量子通信中使用最普遍的密码协议为表示为"<9V%!V26%$!这里!%表示光子偏振方向与水&)’&’’&#’LL#K协议!LP$协议和/RQ协议;LL#K协议平方向的夹角;以一对相互共轭基为例!光子的线偏是!P#K年由L5665\和LH1VV1HZ首次提出的!该协议振基和圆偏振基可分别表示为!#""!!$!"!!"$和利用属于两组共轭基的K个不同光子偏振态对信息进"#"!(!$!2(!$$!"2(!$!!(!$$BLL#K协议的量子行编码;共轭是指一组基中的每个基矢在另一组基中密钥分发步骤见图!所示B的所有基矢上的投影

7、都相等!即以一组基对与其共轭图(!CCB,协议密钥分发步骤!!以LL#K协议为例!考虑一种简单的俘获后再的方法;L9F在检测时只可能测到一束光束所携带重新发送"265H<54&H5V56Z$的窃听方案;由于窃听的信息!然后通信双方比对测量结果!建立量子密&!"’行为会在L9F的接收数据中引入$%J的错误!密钥钥;之后!>2335H‘提出信息由发送压缩真空态的的误码率增大!M32<5和L9F通过公共信道比对数两个场正交部分中被压缩的那一个携带的方案;量据时!能够发现/_5的存在;子密钥的安全性由两个正交部分之间的测不准关系LP$协议与LL#K协议本质上相同!

8、仅将使用得以保证;虽然!对于压缩态量子