量子通信技术的应用.docx

量子通信技术的应用量子通信(Quantum Teleportation)是指利用量子纠缠效应进行信息传递的 一种新型的通讯方式。量子是不可分的最小能量单位，“光量子”即为光的最小 能量单位。在量子世界中，存在着一种“纠缠”效应，所谓量子纠缠指的是两 个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。这种“纠缠”效应 能够在两个完全相同的某量子态粒子之间建立某种联系，当其中一个的状 态发生变化时，另一个也会发生相同的变化，而且这种变化与时间和空间 无关。另外由于对粒子的任何测量都会导致其量子态的变化，所以同时这 种变化时不可能被第三者所知获的。利用量子的纠缠效应，我们可以进行 绝密和瞬时的通信。具有两个偏振方向的光子可以认为是一个双态系统。这两个状态可以 分别对应目前使用的数据通信中的“0”和“1”。这里以一个简单的双态系统 为例，对于处于纠缠态的两个粒子，一旦对其中一个粒子进行测量，确定了它的 状态，那么就可以立即获得另一个粒子所处的状态，这一特性称为量子隐形传态。 要想实现量子通信，首先需要通信终端共享成对缠结在一起的相同粒子(即纠缠 粒子对)，然后对量子态进行信息处理，只要一个粒子的量子态变化，必然影响 到另一个与之处于纠缠态的粒子。量子态是信息的载体，只要完成对粒子的量子 态的操纵，就可以实现量子信息的传输。量子通信是通信技术上的又一次划时代革命，具有广泛的应用前景。首先， 量子通信可以满足空间远距离、大容量、易组网等方面的要求，量子通信可以用 来构筑高速、大容量的通信网络，实现高清晰度图像等大容量超高速数据的传输, 为建立量子因特网奠定了坚实的基础。量子通信的传输速率理论上可以与粒子的 震动频率相等，这意味着其传输速率可以到达万亿Gbit/s,这对于解决目前的通 信带宽瓶颈有着重要的意义。在经典信息论中，传输速率和带宽需要满足香农公 式，而信噪比不可能到达无限大，故而传输的速率一定会受到带宽的制约。量子 通信突破了香农公式的制约，将带宽和传输速率提高到无限。其次量子通信可以实现完全保密通信，这使得量子通信在军事、国防、国民 经济建设等领域都有重要作用。在目前的通信模式中，就连保密性最高的光纤通 信，也存在被窃听的可能性。由于量子纠缠效应严格的应用条件，任何窃听的尝 试都将导致信息的改变，窃听者获得信息必定不同于原传输的信息，这就保证了 传输的信息不可能被第三者非法获取。现在已经有人提出了利用量子通信理论进 行密钥的分发，能够完全消除被破获的可能。最后，由于量子通信时延为零，可以实现超光速通信，量子通信的开展必将 加速人们探索宇宙空间的进程。在地球的通信中，光速可以基本满足传输的实时 性。但是在星际探索中，如月球探索，信息的一个往返时延到达了2秒，这增加 了姿态控制等命令下达的难度，并带来了一定的不确定性。假如量子通信能够应 用到宇宙探索领域，由于量子通信对距离的不敏感性，飞行器采集的数据可以实 时高速传送到地面段，地面段发送的信息也可以瞬间传到达深空飞行器，甚至能 像操纵遥控飞机那样操纵飞行器在许多光年外的空间进行探索。量子通信具有如此多的优点，但是其实际应用仍停留在理论探索阶段。首先, 纠缠效应要求一个粒子是另外一个的完美复制。在现有的实验条件下，制备完全 相同的粒子仍然是不可实现的，获得大量能产生纠缠效应的粒子集群难度更大。 其次,对于粒子量子态的测量会破坏原有粒子的量子态，一但量子态遭到了破坏, 信息的传输就失去了意义。值得欣喜的是，目前我国在量子通信领域已经取得了一定的进展。我国己经 建成了从八达岭到河北张家口市怀来县长达16公里的自由空间量子信道。2010 年的6月，在八达岭实验室，一个量子态消失后，在并没有经过任何载体的情况 下，瞬间出现在了 16公里以外。量子通信又一次被证明是可以实现的，同时打破 了量子通信传输距离的世界记录。