量子电报_物理_自然科学_专业资料

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1、量子电报的原理和应用黄航20114045南交通大学物理科学与技术学院，四川成都611756)摘要：量子信息是量子力学中一个非常活跃的领域，我们利用量子力学独特的属性，可以实现与经典通信完全不同的通信方式。本文通过对经典电报的阐述和量子电报-量子态的离物传送进行了一个深入分析，对比揭示了量子电报不同于经典通信的特点。另外本文也对量子电报的量子电路，量子不可克隆原理，量子纠缠和量子电报的安全性等领域进行了一定的阐述，以加深对量子电报的理解。关键词：量子电报;量子态的离物传送；量子电路；量子纠缠0引言早在19世纪就被建立起来川，以有线电报技术为代表的经典通信方式便被建立起来，其中如莫尔

2、斯码等技术在现如今仍被一定的使用。现现代通信技术主要是建立在以麦克斯韦定理为基础的电磁波通信，还有光纤通信上。但由于人们对通信量，信息处理量等要求日益提高”人们渴求一些从原理上革新的新型通信方式的出现。大约在十九世纪二十年代，量子力学的框架已经基本完成。量子力学的一些预言和实验超岀想象的吻合，使其成为一个非常成功的理论。这样一个理论经过最近几十年的发展，又分支岀了一些可以应用领域，而这些领域继承了量子力学让人难以捉摸而又非常奇妙的性质，因此许多领域的突破或者应用看起来都可以给经典技术带来一个强力的冲击和改革。而量子信息技术便是这些年轻领域中的一个，而量子电报作为量子信息技术的重要

3、组成部分，因其与经典电报或者通信技术原理上完全不同的性质,为未来的通信技术带来了无限的前景。1经典通信中的电报人类文明的发展历程中，发明的第一个远程通信技术便是有线电报技术。但在今天看来，早期的有线电报结构是非常简单的，如图1所示:TheMainLineCircuit.图1有线电报电路图由上图可以看出，有线电报只由简单的电磁继电器,电线和电建（开关）组成。通过控制电键的开合就可以实现断断续续的电流信号，从而使电磁继电器断断续续的吸引铁片。而这些断断续续的电流信号便可以通过编码实现信息的传送。最初的编码实现者便是莫尔斯，相应的编码方式则成为莫尔斯码。莫尔斯在上面的有线电报的基础上加

4、入了精巧的钟表机构，使电磁继电器吸附铁片的过程带动墨水笔在纸带上画出一些〃点〃和〃线〃的排列组合，这些组合便构成了莫尔斯码的基本编码方式。如字表示字母A,表示字母R等。值得一提的是，这种通信方式必须辅以介质才能传播，即收发两端必须用有线电线连接起来。这种情况直到波波夫于1894年发明了第一架无线电接受发射装置才得以改变。再后来费申登发明了外差技术使通过〃记录笔〃记录点线的方式转变为可直接通过耳机听到类似滴滴答答的电码声音。这就是我们后来最为熟矢口的电报方式了O无论早期的无线电报和后来的无线电报技术,无^是传播中使用了电磁波来传播信息。这和现代的经典通信在原理上是一样的。虽然电磁波

5、的传播无需介质，但根据相对论理论，电磁波的传播速度无法超过光速。2经典离物传送和量子不可克隆定理无论是电报技术，还是如今的现代通信原理和量子信息论，都可以做f极其概括性的总结：信息产生于物理状态在时间和空间的变化,我们对信息的操作无非就是对物理状态的提取（测量）和对物理状态的处理（对其进行有控制的状态演化）。在经典的物理理论中，我们所知的所有物理状态都是可以被精确测量的,因此经典的离物传送可归结为：先对发送者手里传送体的物理状态进行全部的信息提取,再将该物理状态的测量全部信息传送给接收者,接收者再根据所收到的信息通过一定的操作对相应的物理状态进行一个复制工作。这就是经典的离物传送

6、过程”可看出无论是之前介绍的电报技术，还是现如今的传真之类的技术都可以归结于这样一个过程。而在量子世界中由于W.K.Wootters和W.H.Zurek提岀的量子态不可克隆原理役该原理证明了量子系统的任意未知的量子态中,不可能在不被破坏的情况下，以100%成功的概率被克隆到另一个量子体系中。简单的说问题就出在测量过程中，测量未知量子态便意味着破坏该量子态,又或者说我们无法精确测量未知量子态这样一种物理状态。因此，量子态的离物传送似乎成为一种不可能的事，直到Bennett于1993年提出一种解决方案,在不违背量子态不可克隆原理的情况下实现量子态的离物传送,即量子隐形传态-量子电报。

7、至于其相关原理和为何不违背量子态不可克隆原理，还有量子态不可克隆原理的证明，我们稍后介绍。3量子纠缠及其量子电路实现在介绍量子隐形传态之前，我们先介绍一下量子纠缠态。量子纠缠是两个或多个量子系统直接的非定域，非经典的关联。他最初本来是爱因斯坦提岀EPR佯谬用于批判量子力学没有完备性时,所构建的一种非定域态。现如今却反而被证实并成为量子通信的重要组成部分⑻。而纠缠态用狄拉克算符来阐述即某量子态无法写成直积形式，例:吉(

8、oo>+

9、io>)态，由于最后T立都是

10、0>态，因此可写为直积