量子通信原理及应用前景优秀PPT.ppt

量子通信原理及应用前景量子通信原理及应用前景简介简介无线通信小班探讨无线通信小班探讨物联工程物联工程11021102 胡标胡标 传统通信的缺陷与量子通信传统通信的缺陷与量子通信现在人们广泛运用着多种通信方式，这些通信技术为人类社会的进步发展供应强大助力，可以说没有这些通信方式就不会有今日人类社会的旺盛局面。但是在这些通信技术手段为人们带来巨大帮助的时候，却始终有一个问题难以得到有效解决，那就是通信中的保密问题。今日，人类已经开发探讨出了新的通信技术，量子通信技术，其在理论上是可以保证确定保密的通信技术手段。这也是今日我向大家讲解介绍的内容。传统通信的缺陷与量子通信传统通信的缺陷与量子通信传统的通信技术包括最原始的诸如烽火等依靠声光传播信息的手段，以及现代各种有线无线通信手段，如光纤，微波通信等等。除开信使与干脆会见这种效率极低下的通信方式外，其余全部的通信方式都无法真正避开通信内容在通信双方不知情的状况下被窃听者获得。实际中人们利用加密的方式传送信息，发送者通过密钥将须要发送的信息转化为密文，接收者再通过密钥将密文转化为可以干脆读取的信息。传统通信的缺陷与量子通信传统通信的缺陷与量子通信然而这种形式的信息传送也并担忧全。首先双方须要安排密钥，传统的信息传送方式除了效率极低的信使或会见外，都无法避开密钥的泄露。而且几乎全部的密码都存在被破解的可能，因而须要时常更换密码。而现代商业或航天活动中这明显又面临着密钥泄露或密钥难以甚至无法传送的冲突。传统通信的缺陷与量子通信传统通信的缺陷与量子通信现代网络商业上常用的是非对称密钥。发送方的密钥是公开的，而接收方的密钥则只有接收者知晓。该体制的平安性是基于大数因式分解这样一类不易计算的单向函数。比如1977年,美国出了一道解密题,其解密须要将一个129位数分解成一个64位和一个65位素数的乘积,估计用当时的计算机须要用41016年。但是随着计算机计算实力的不断发展，这样的密码机制变得越来越担忧全。上面的那道解密题到了1994年,只用8个月就能解出。尤其是Shor量子算法证明,接受量子计算机可以轻而易举地破译这种公开密钥体系。目前世界上只存在一种被证明无法破解的密码，Vernam密码体制，但是这事实上是一种一次性密码，且密钥长度与密文长度相等。这种密码的实际运用须要传送的确定保密性。传统通信的缺陷与量子通信传统通信的缺陷与量子通信传统通信的缺陷与量子通信传统通信的缺陷与量子通信随着现代计算机的计算实力的飞速发展，现在的常用密码体制终究有一天会变得无密可言。解决现在的通信保密难题的途径只有两条，即确保通信内容不被己方不知的状况下被窃听，或是运用Vernam体制密码。然而这些都是传统的通信手段所无法做到的。但是，量子通信却可以做到这些。目前，量子通信尚无严格的定义。物理上，量子通信可以被理解为在物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信。信息学上，我们则认为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不行克隆原理和量子态的测量塌缩性质等）或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。量子通信原理简介量子通信原理简介量子通信的平安性源于量子力学的基本原理。一是不确定性原理，也称测不准原理，即不行能同时精确测量两个非对易的物理量，如量子的坐标和动量。二是测量塌缩原理，即对量子态进行测量会不行避开地使该量子态塌缩到某一个本征态上，这意味着对量子态进行测量都会留下痕迹。三是不行克隆定理，即一个未知的量子态是无法被精确克隆的。此外还有量子纠缠态，相互纠缠的两个粒子无论被分别多远，一个粒子状态的变更都会马上使得另一个粒子状态发生相应变更的现象量子通信原理简介量子通信原理简介量子隐形传态所谓量子隐形传态利用了纠缠态粒子之间的特殊“心灵感应”，即不论相隔多远，只要两个粒子仍旧保持着纠缠态，其中一个发生了变更，另一个确定发生相应的变更。1993年，Bennett等来自四个国家的六位科学家演示了第一种量子隐形传态方案，其过程如下Alice与Bob分别拥有一对纠缠粒子对2,3中的2与3.Alice要向Bob发送消息，Alice对某粒子1 的当前状态未知，她将联合测量粒子1与2。因为测量，所以粒子1与2发生了变更，由于2与3是纠缠态粒子，于是3也会发生相应的变更。Alice通过经典信道将测量结果告知Bob，Bob对3进行一系列操作将能得到粒子1的最初状态。量子通信原理简介量子通信原理简介量子隐形传态须要说明的是，Alice处的粒子1失去其测量前的状态，而远在Bob处的某粒子则获得了粒子1 的初始状态，该过程的净结果是粒子1的状态未进过物质传递，转移到了Bob处。粒子2变更的同时粒子3也会发生变更，试验证明纠缠态粒子之间的反应速度107C，然而量子的隐形传态须要经典信道的协助传送测量结果，其上的时间消耗与Bob处 的操作时间确定了量子隐形传态不行能超光速。量子通信原理简介量子通信原理简介概率隐形传态在Bennett等人提出的标准量子隐形传态方案中,接受最大纠缠态作为量子通道来传送未知量子态,隐形传态的成功率必定会达到100%,但是在实际中由于量子态和四周环境的耦合是不行避开的,所以,作为量子通道的这些最大纠缠态在制备过程中会受到上述及其它因素的影响而很难得到,最终粒子对处于部分纠缠或非最大纠缠态.因此,运用部分纠缠态作为量子通道就具有很大的实际意义.当以部分纠缠态作为量子通道时实现的是概率隐形传态概率隐形传态中须要引入一个协助粒子，其与粒子3一同操作。最终视察协助粒子的状态，依据它的状态推断传态是否成功。在量子隐形传态中外界根本无法得到有用的信息，因为粒子2,3只在Alice与Bob手中，窃听者从经典信道中获得了信息也完全无法推出有关粒子1 的任何有用信息。即窃听者无法获得Alice与Bob之间传递的信息。量子通信原理简介量子通信原理简介量子通信原理简介量子通信原理简介量子密钥安排前面说到除特别常更换的密码或Vernam体制密码，否则无法保证密钥的平安。常常更换密码则会在信道中泄露密钥。量子密钥安排正是通过确保密钥在传递过程中的平安性实现彻底平安的通信。1984年，来自IBM探讨组的Bennett与加拿大蒙特立尔高校的Brassard一起提出了第一个好用性的量子密码通信协议一BB84协议1991年，牛津高校的Ekert提出了 E91协议，即EPR协议。1992年，Bennett提出用两个非正交态实现量子密码通信B92协议基于量子密钥安排BB84协议的通信过程事实上分为两步。第一步，安排密钥。其次步，通过经典信道进行密文传递。量子通信原理简介量子通信原理简介Alice随机的发送制备的单光子信号,Bob接收到信号以后随机的从两组测量基中选择一组进行测量。假如双方选取的测量基一样，那么双方约定记录测量结果。假如双方选取的测量基不一样，那么双方放弃测量结果。对于记录的测量结果，双方通过公开比对一部分结果，用来确定通信信道的平安性。假如信道平安，那么剩余的光子态可以作为编码比特生成密钥裸码。因为窃听者EVE一旦测量Alice与Bob发送的单光子信号，该单光子的状态就会发生变更，就会导致Bob与Alice发觉。EVE也无法精确复制发送的光子。所以EVE无法进行有效的窃听。密钥的后处理过程包括量子纠错和量子保密放大过程。通过进一步的处理，可以生成平安的量子密钥。量子通信原理简介量子通信原理简介接下来的密文传送就很简洁了，干脆运用经典信道传送密文。即使被窃听到了，也不会泄密，因为每次传送的密钥都是不同的，窃听者也完全无法得到有效的密钥。这就保证了通信的确定保密性。量子通信原理简介量子通信原理简介窃听者对接受弱相干光源的量子通信系统进行光子数分别攻击(Photon-Number-Splitting Attack)，即对于非单光子状况，窃听者截取携带有相同信息光子群中的部分光子，对于单光子状况则不进行操作。实行这样的攻击方式，在传输距离较长时(10 km量级)窃听者的窃听行动所带来的扰动将会被环境扰动所湮灭，即通信者无法察觉信道被窃听，进而通信担忧全。为了解决弱相干光源量子通信系统存在的漏洞，2005年，我国学者王向斌和加拿大籍华人学者Hoi-Kwong Lo等人分别提出了基于诱骗态(Decoy-State)的量子密码试验方案Cz3,zal，通过限制弱相干光源发送光子数密度随机变更的光信号来判定信道是否被监听。理论上证明即使超过100 km，其平安性与用志向单光子源所获最终码等价。量子通信原理简介量子通信原理简介 量子平安干脆通信(Quantum secure direct com-munication,QSDC)是一种不同于量子密钥分发的新量子通信形式,与量子密钥分发根本性区分在于量子平安干脆通信在量子信道中干脆传递隐私信息.量子平安干脆通信的平安性也是基于量子不行克隆原理、量子测不准原理以及纠缠粒子的关联性和非定域等.与量子密钥分发的过程不同,量子平安干脆通信过程中,通信双方不须要事先生成密钥,而是通过干脆建立量子信道的方式进行通信,从而将一般意义上的量子通信过程简化为一步量子通信过程,即干脆完成隐私信息的平安传输.假设测量者测量光子的偏振方向时用对了测量仪器,那么他将能精确得到光子的偏振方向,但假如用错了测量仪器,那么他不但得到是错误的偏振信息,还导致了光子原来信息的的丢失,这种破坏作用是不行逆转的。有了测不准原理作保证,就能检测到量子信道中Eve是否进行了窃听。量子通信原理简介量子通信原理简介(1)基于单光子信道的量子通信基于单光子信道的量子通信，在机理上与经典通信相同的信息传递机制。信息载体:单光子;信息传递信道:光纤、自由空间光(FSO)等物理信道。特点:具有经典通信无法供应的严格平安性。应用方式:量子平安干脆通信(QSDC quantum secure directcommunication);量子密钥分发(QKD quantum keydistribution);量子机密共享(QSS quantum secretsharing)。(2)基于光子纠缠对的量子通信其机理是利用粒子纠缠特性而脱离实物的一种信息隐形传递机制。信息载体:纠缠光子对;信息传递信道:跨越时间与空间的“心灵感应”;纠缠光子分发物理信道:光纤，自由空间。特点:信息的传递理论上可以超光速，与距离无关，但由于须要经典信息作测量协助，获得信息的速度并未超过光速;具有经典通信无法供应的严格平安性。应用方式:量子隐形传态(QT quantum teleportation);量子纠缠密钥分发。量子通信原理简介量子通信原理简介 量子通信目前所面临的的难题 量子通信是一门新兴且极具前景的学科，其已取得了巨大的成果。但是目前仍面临不少难题。如量子隐形通信中纯纠缠态粒子难以制备，甚至量子隐形通信目前仍处在试验室阶段。通过发送粒子进行密钥安排或干脆进行密文传输，会遭遇光子数分别攻击，较为成熟的单光子信道通信距离仍旧较短，目前最长的记录是约160km。好用率仍旧较低，一是通信距离不等于平安距离，很多声称超过100 km的系统，理论平安距离只有10 km量级。二是通信距离、通信速率、通信质量三者具有相关性，不行能同时达到最大，有的系统通信距离可达l00 km，但成码率只有10 bit/s。量子通信发呈现状量子通信发呈现状继 Bennett 之后，又分别Bouwmeester 等人用光子极化、Boschi 等人用光学技术、Furusawa 等人用光的挤压态以及 Nielsen 等人用核磁共振（NMR）实现了量子隐形传态。在我国，中国科技高校的郭光灿院士和潘建伟教授等人在这方面取得了重要进展。1999 年至 2001 年，潘建伟和他在奥地利的合作者们首次成功实现了三光子纠缠态、四光子纠缠态，并用它们验证了量子力学与定域实在论的冲突。潘建伟和他在中国科技高校的同事在 2003 年首次成功实现了自由量子态的隐形传送、纠缠态纯化以及量子中继器；2004 年实现了五光子纠缠和开放目的的量子隐形传态；2006 年，首次实现两粒子复合系统量子隐形传态，并在试验中第一次成功地实现了对六光子纠缠态的操控。量子通信原理简介量子通信原理简介量子通信发呈现状量子通信发呈现状在量子密码理论不断完善的同时，量子密码技术在试验上也取得了很大进展。1989年，IBM公司和蒙特利尔高校合作完成了量子密码学中的第一个试验，利用BB84协议在相距30cm的收发两端实现了对隐私随机比特串的认证。1995年，瑞士日内瓦高校在日内瓦湖底铺设的23km长民用通信光缆中进行了实地演示。2002年，德国慕尼黑高校和英国军方下属的探讨机构合作，在德国和奥地利边疆相距23.4km的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光成功传输了光子密钥。2004年6月3日，世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。目前发达国家已经起先进行空)地量子密钥传输的相关理论及试验探讨。欧空局(ESA)和美国正在主动开展空间量子密钥安排理论探讨和可行性论证工作。量子通信发呈现状量子通信发呈现状中科院物理所于1995年对BB84方案首次做了演示性试验。2005年,中国科技高校实现了纠缠光子对通过地面大气13km的自由空间分发试验。该试验表明,纠缠光子在通过超过大气层等效厚度的距离之后,纠缠特性照旧能够保持很好。试验中纠缠光子对的最终收集效率或者说衰减为百分之几,远远高于基于人造卫星的自由空间量子通信的信道衰减阈值。这个试验第一次验证了用纠缠光子对进行地面和卫星量子通信的可行性,为将来在天地之间应用量子通信供应了试验数据支持。量子通信的前景与展望量子通信的前景与展望前面我们说到了量子通信的确定保密性，量子 隐形传态甚至还具有无障碍通信实力。量子通信的这些优良特性确定了其广袤的无法估量的前景。量子通信及相关技术可以在以下方面发挥巨大作用。网络通信。航空航天通信及限制。通信条件极其恶劣的特殊场所通信。量子通信的前景与展望量子通信的前景与展望量子通信在将来必将成为重要乃至主要的通信手段，由于其确定保密性与通信无障碍性的优良特点，其将对人类社会发展带来深刻变革。目前世界上主要国家都在大力进行量子通信领域的开发，我国目前在量子通信领域处于世界前列，取得了丰硕的成果，部分领域甚至是世界领先。在量子通信领域的探讨我国已经占得重要的一席之地。将来量子通信必将为我国的发展带来巨大助力，广袤中国人将会感受到量子通信带来的无穷好处。Thats 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