量子通信概述

第1章

概述量子通信利用量子力學的基本原理或特性進行通信，其信息的載體是微觀粒子，如單個光子、原子或

自旋電子等。因此，它的工作原理、發送裝置和接收設備必定與其它通信方式不同。本章主要講述量子通

信的基本概念、量子通信的類型，并簡要介紹量子通信的發展現狀。主要內容：一

、量子力學的簡介二、量子通信的類型三、量子通信系統的指標四、量子通信的發展現狀與展望方

法

：

講授、啟發、討論目

的：

了解量子通信的基本概念及其特點，了解量子通信的類型，熟悉量子通信系統的指標，理解量子通信

的發展現狀與展望。時

間：90分鐘一、量子力學簡介理論物理四大力學物理學分為普通物理學(牛頓力學、熱學、電磁學、光學、原子物理與相對論)和理論物理學(四大力學——理論力學、熱力學與統計力學、電動

力學、量子力學)。理論力學用分析力學(即拉格朗日力學和哈密頓力學)觀點處理牛頓力學問題。熱力學與

統計力學研究熱運動的規律和熱運動對物質宏觀性質的影響。電動力學研究電磁場的基本屬性、運動規律以及電磁場和帶電物質的相互作用。量子力學研究物質世界微觀粒子運動規律。一、量子力學簡介從宏觀到微觀量子力學和相對論是現代物理學的兩大支柱。量子力學的建立使人們對物質世界的認識從宏觀層次跨進了微觀層次。(非相對論)量子力學相對論量子力學量子電動力學量子統計和量子場論經典力學相對論力學

經典電動力學

經典統計力學宏觀普朗克常數h光

速

c高速微觀低速一、量子力學簡介經典物理學的困難19世紀末，經典物理已發展得相當完善，那時，人們認為物理大廈已經落成，力學、熱學、電磁學、波動光學等問題大都已經解決，甚至遠及太陽

系中的問題也能用經典物理學處理，所剩只是一些修飾工作。但是這些信念隨之受到了沖擊。經典理論在解釋一些新的試驗結果上遇到了嚴重的困難。由此量子力學應運而生。經典物理學光的波動說不能解釋像光電效

應這類光與物質相互作

用的問題。經典物理學不能給出原子的穩定結構，也

不能說明原子光譜的規律。經典物理學關于能量連續變化的概念不能

解釋黑體輻射的能譜及

比熱對溫度的依賴。黑體輻射問題光電效應問題原子光譜問題量子力學的誕生1913年玻爾在盧瑟夫原

子有核模型基礎上運用量

子化概念對氫原子光譜作量子的兩條道路：

出了圓滿解釋，量子力學

取得初步勝利。1913年玻爾1905年愛因斯坦1900年普朗克

1905年愛因斯坦為了解釋光電效應與經典理論的矛1900年普朗克為了克服經

盾，提出了光量子，后人1923年德布羅意1923年德布羅意提出了物

質波這一概念。認為一切

微觀粒子均伴隨著一個波,這就是所謂的德布羅意

波。1926年薛定諤基于量子性是

微波粒二象性觀體系波動性的

反映這一認識，找到了微觀體系的運動方程，建立起波動力

學，后不久還證明了波動力學

和矩陣力學的數學等價性。1925年海森堡基于物理理論只

處理可觀察量的認識，拋棄了不可觀察的軌道概念，從可觀察的

輻射頻率及其強度出發，和玻恩、約爾當一起建立起矩陣力學。1925年海森堡1926年薛定諤1928年的狄拉克提出電子的相對論性方程一

狄拉克方程，矩陣力學和波動力學殊途同歸，標

志著量子力學的誕生。典理論解釋黑體輻射規律

稱之為光子，為量子理論

的困難引入能量子，為量

的發展打開了局面。子理論奠定基礎，他本人也被譽為量子理論之父。一、量子力學簡介1923年玻爾量子力學的產生和發展標志著人類認識自然實現了從宏觀世

界向微觀世界的重大飛躍。一、量子力學簡介量子力學科學家德布羅意愛因斯坦狄拉克普朗克海森堡薛定諤玻爾泡利玻恩費米一、量子力學簡介量子力學的應用生命科學本世紀的三大熱門科學

信息科學的發展都離不開它。材料科學并且派生出了許多新的學科。量子場論

量子電動力學

量子電子學量子光學

量子信息學

量子化學對于個人通信而言，信息安全或許只是個人隱私之類，而對于軍事、金融、政務、商業等領域而言，通信安全的重要性不言而喻。二戰中，波蘭人和英國人成功破譯了德國著名的“恩格瑪”密碼，因此，盟軍提前得知了德國的許多重大軍事行動；美軍破譯日本的高級密碼———“紫密”,擊斃了

日本海軍大將山本五十六，扭轉了美軍太平洋戰場的被動局面。對于目前電子信息時代，就地球范圍而言，通訊的即時性不成問題，而未

來距離遙遠的星際通信就力有不逮。另

一方面自2013年斯諾登“棱鏡門”事件

以

來

，給人們敲響了警鐘，信息安全像

窗戶紙一樣脆弱。對于通信而言，迅捷再加上安全是關鍵。三、量子通信技術通信安全可能新技術：量子通信，量子計算機，量子模擬，量子度量學探索奧秘開拓新技術經典世界(確定性)量子世界(概率性)量子力學是20世紀自然科學發展的臺柱之一。但是，自量子力學誕生以來，科學界關于量子力學基本問題一直進行著激烈的爭論。竅實謹慎一點嗎量子力學你不覺得使用普通語言

將事物屬注歸結于上帝時上帝不會

冉

激

子

。爭論焦點：自然界是否確實按量子力學的規律運行?經典力學：宏觀物質的運動規律量子力學：微觀粒子的運動規律一自然界的運動規律1.1.1

量子通信的基本概念□

量子通信具有無條件安全性□

量子通信具有傳輸的高效性□

可以利用量子物理的糾纏資源量子通信具有無條件安全性□QKD

利用量子力學的海森堡不確定性原理和

量子態不可克隆定理，前者保證了竊聽者在

不知道發送方編碼基的情況下無法準確測量

獲得量子態的信息，后者使得竊聽者無法復

制一份量子態在得知編碼基后進行測量，從

而使得竊聽必然導致明顯的誤碼，使得通信

雙方能夠察覺出被竊聽。量子通信具有傳輸的高效性□

根據量子力學的疊加原理，一個維量子態的本征展開式有項，每項前面都有一個系數，

傳輸一個量子態相當于同時傳輸這個數據。

可見，量子態攜載的信息非常豐富，使其不

但在傳輸方面，而且在存貯、處理等方面相

比于經典方法更為高效。可以利用量子物理的糾纏資源□

糾纏是量子力學中獨有的資源，相互糾纏的粒子之間存在一種關聯，無論它們的位置相

距多遠，若其中一個粒子改變，另一個必然

改變，或者說一個經測量塌縮，另一個也必

然塌縮到對應的量子態上。這種關聯的保持

可以用貝爾不等式來檢驗，因此用糾纏可以

協商密鑰，若存在竊聽，即可發現。1.1.2

量子通信的類型□

基于QKD

的量子保密通信□

量子間接通信□

量子安全直接通信基于QKD

的量子保密通信□

基于QKD的量子保密通信是通過QKD使得通信雙方獲得密鑰，進而利用經典通信系統進行

保密通信，如圖下所示。發送方經典保密通信系統密鑰池經典輔

助信息基于QKD

的量子保密通信量子信道

量子密鑰分發系統接收方經典保密通信

系統密鑰池經典信道(加密數據，QKD輔助信息)量子密鑰分發

系統經典輔

助信息量子間接通信口

量子間接通信可以傳輸量子信息，但不是直接傳輸，而是利用糾纏粒子對，將攜帶信息的光量子與糾纏光

子對之一進行貝爾態測量，將測量結果發送給接收方，

接收方根據測量結果進行相應的酉變換，從而可恢復

發送方的信息，如圖下所示。這種方法稱為量子隱形

傳態

(

QuantumTeleportation),應用量子力學

的糾纏特性，基于兩個粒子具有的量子關聯特性建立

量子信道，可以在相距較遠的兩地之間實現未知量子

態的遠程傳輸。酉變換或貝爾態測量量子信道貝爾態測量或酉變換量子信道經典信道量子信道糾纏源量子間接通信量子信息或

經典信息量子信息或

經典信息量子安全直接通信口

量子安全直接通信(

Quantum

SecureDirectCommunications,QSDC

)

可以直接傳輸信息。

通過在系統中添加控制比特來檢驗信道的安全性。

其原理如圖下所示，量子態的制備可采用糾纏源或

單光子源。若為單光子源，可將信息調制在單光子

的偏振態上，通過發送裝置發送到量子信道。接收

方收到后，進行測量，通過對控制比特進行的結果

進行分析判斷信道的安全性，如果信道無竊聽則進

行通信。其中經典輔助信息輔助進行安全性分析。發送端控制消息量子信道調制量子態制備量子安全直接通信經典輔助

信息經典輔助

信息解調

信息安全性分析接收端接收/測量經典信道發送信息1.2

量子通信系統的指標□

1.

量子誤碼率□

2.通信速率□

3.

通信距離量子誤碼率口

量子誤碼率(

Quantum

bit

error

rate,QBER)

是指承載信息的光量子波包中，能用來使發送和接

收雙方進行有效通信的那部分信息的誤碼率。由于

信道的損耗和接收機探測器的效率等原因，使得發

送的大部分光子不能得到有效的計數，而實際通信

系統中只保留雙方認可的那部分比特值。在基于單

光子的QKD

系統中，只有發送方的編碼基和接收方

的測量基一致且被接收方測量計數的比特才被留下

來，進一步處理。QBER

就是衡量這部分比特的誤

碼性能。通信速率口量子通信系統的速率隨通信的樣式不同而不同。在量子保密通信系統中，除了加密數據傳輸的經典通

信速率外，更重要的是密鑰產生速率。衡量不同QKD系統性能時，往往用密鑰產生率

(

keyrate),其含義是發送一個光脈沖，它能形成最后

密鑰的概率。若系統時鐘為

fs,密鑰產生率為r,密鑰速率為fe,

則有：f.=f

·r。在間接量子通信系

統和量子安全直接通信系統中，通信速率指傳輸經

典信息

(用經典比特表示的信息)或量子信息(用

量子態表示的信息)的傳輸速率。通信距離□

由于量子信號不能放大，而且量子中繼器還處在實驗室研究階段，所以通信距離是一個

重要指標。由于量子信道的損耗，隨著通信

距離的增加，量子通信的速率(不是加密后

的經典數據),通信距離迅速下降，所以實

際應用時往往要在兩者之間進行權衡。1.3

量子通信發展現狀與展望□

量子通信發展現狀□

量子通信發展展望量子通信發展現狀□

自從1984

年BB84

協議出現后，各種協議不

斷被提了出來，除了單光子脈沖的偏振自由

度、相位、時間、頻率自由度也被挖掘了出

來，從而派生出了各種不同的實現方法。制

備-測量型量子通信系統基于單光子，傳輸

信道為單模光纖或自由空間。量子通信發展現狀口我國在量子通信起步比較晚，但發展也很快：1995

年，中國科學院物理所在國內首次完成了自

由空間B

B84

量子密鑰分發協議的演示實驗。□在國內，2007年，中國科學技術大學在北京網通公司商用通信網絡上基于波分復用器實現了四用戶

QKD,

又實現了3個用戶的誘騙態量子通信網絡，并且實現了量子保密話音通信。

2012年我國先后建成了“金融信息量子通信驗證網”和“合肥城域

量子通信實驗示范網”,節點數目和規模不斷擴大。量子通信發展展望□

量子通信系統將由專網走向公眾網絡，目

前大多數實驗量子通信系統均是針對專門的

應用，對量子信號的傳輸需要單獨采用一根

光纖，這樣的話一方面成本較高，另一方面

應用范圍受限。為了將量子通信推廣使用，

如何利用現有的光纖網絡同時傳輸量子信號

與數據信號，克服強光信號對單光子信號的

影

響

，是最近實驗和研究的熱門課題，已經

有了實際的實驗結果。量子通信發展展望□

量子通信網絡向覆蓋全球發展，實現長距離

量子通信的一種方法是借助于量子中繼器，

需要采用量子糾纏交換和糾纏純化，由于糾

纏交換成功的概率性使得建立兩個遠程終端

之間的糾纏的時延較長；另一種方法是基于

衛星的量子通信，目前歐洲和我國都在準備

開展基于衛星的實驗，我國預計2016年發

射量子科學衛星，這樣覆蓋全球的量子通信

指日可待。量子通信發展展望□

量子計算技術的發展將會大大促進量子通信

的發展，隨著量子存貯能力的突破和量子

計算技術的發展，量子糾錯編碼、量子檢測

等技術的應用，量子通信系統的性能將會得

到很大的提高。四、量子通信系統的指標o

1.

量子誤碼率o

2.

通信速率o3.通信距離1.量子誤碼率o量子誤碼率(Quantumbiterrorrate,QBER)是