量子通信及其未来在铁路通信中的应用方案.docx

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1、量子通信及其未来在铁路通信中的应用方案 摘 要 阐述了量通信工作原理及其发展历史，探讨将来量子通信在铁路通信中的应用。 【关键词】量子通信 铁路通信 量子纠缠理论 1 背景分析 1905年，爱因斯坦在普朗克的量子假说基础上提出的光的波粒二象性，即光既有粒子性特征又具有波动性特征，因此可以将光束看成由若干光量子所构成的粒子束。1926年，薛定谔发觉了可以描述粒子随时间改变规律的运动方程，即薛定谔方程，量子理论中的量子态就是依据薛定谔方程所演化而来。量子通信这一新概念是在11013年由美国科学家贝内特结合通信技术科学和量子力学理论提出来的，利用光的粒子特性，通过纠缠的光子对或光量子作为数据的载体，

2、在理论上可实现更加大容量的数据传递，并能生成在理论上无法破解加密编码，并有传输距离远和不易受干扰的优点。 2 量子通信简介 量子通信是先将光子变为量子态的光粒子而后在量子通道中进行传输，而光粒子的信息处理是指光粒子在量子态的幺正变换。量子通信与经典通信最大的不同是信息单元的不同，经典通信的信息单元是由二进制位表示而成，即1和0这两种形态，而量子态的信息单元则有无穷多种组合，因为量子态是由两个逻辑态的相干叠加而成，即|=a|0+b|1，其中a和b均是复数，并满意a2+b2=1，只需变更a和b的值，便可得到无穷多种不同的量子编码。 在志向化的量子通信中有两种典型方式，即传递量子态所实现的干脆通信方

3、式和通过量子纠缠态实现的间接通信方式。 在干脆传递的量子通信系统中，只将要传递的经典信息转换成粒子的量子态，通过量子信道干脆传递到信宿。 在间接传递的量子通信系统中，利用量子纠缠效应来传递信息。详细的说，产生于同一来源的两个微观粒子之间存在着某种“纠缠”关系，无论处于纠缠作用的两个粒子相隔多远，假如其中一个粒子的状态发生改变，那么另一个粒子将随着它的变更而变更，即处于纠缠状态的两个粒子无论相隔多远，都可以感知和影响对方的状态。间接传递的量子通信系统就是信源和信宿共享一对处于纠缠状态的粒子，当须要发送数据时变更信源的粒子状态，进而使在信宿的另一个粒子的状态得以变更，实现信息的传递。 3 将来量子

4、通信在铁路通信上的应用方案 3.1 基于现有准单光信道的量子通信 此方案采纳干脆将量子态的粒子传递到接收端。因为在铁路通信中所广泛采纳光通信技术已经相当成熟，所以用光子作为携带量子信息的首选载体。例如，利用光子的偏振、频率或相位等特性来携带量子信息并可作为通信密钥，以光纤作为信道，实现信息的传递。 在现有科研水平下单光子源、量子状态的限制及量子态的测量技术还不够成熟的状况下。可以通过采纳在信息发送端以弱的相干光源，近似的作为量子信号源。在信息接收端采纳灵敏度高的光电被增管、雪崩二极管或超导探测器等作为光量子探测器。此外，还要通过现有信道来协作进行量子状态下的编码与译码。 采纳此种方案有如下特点

5、： 效率远远高于目前铁路通信中主要采纳的光纤通信、GSM-R通信等。 经计算，在经典信道下，当信道带宽趋于无穷大时，信息效率为1.44bit/光子。而在常温下T=300K且光频率v=31014 Hz时，量子信道下的信息效率为69bit/光子。可见量子通信效率远远高于目前铁路通信中所主要采纳的光纤通信、GSM-R通信等。 容量大 。量子通信在理论上的传输时延可以为零，在单位时间的所传输的信息量是无限的。但光子在传输中会有损耗，所以量子通信在实际应用中的速率并不是无限大，但量子通信可实现比光纤通信高大约1010万倍的传输速率。 保密性好。量子编码依据量子力学的测不准原理和量子不行克隆原理建立了不行

6、能被破解的量子密钥，在公开的信道下，非被量子密钥的任何企图都会被发觉。因为处于量子纠缠状态的某一光子一旦被检测或干扰，就会变更相应的量子状态，同时与其有纠缠效应的另一光子也会发生变更，进而影响整个量子纠缠系统。所以量子通信是全世界目前公认的在原理上肯定平安的通信方式。 目前此方案已在试验室得以实现。 3.2 基于量子纠缠效应进行量子通信 此方案利用同一产生源所产生的两个粒子具有粒子纠缠特性来进行通信。 相比上面所提到的特点。基于量子纠缠效应进行的量子通信还具有可实现超远距理传输、信道不易受干扰等特点。可以克服目前高速铁路信号发展所遇到的多普勒效应问题并大大降低由信道干扰所产生的误码率。 目前因

7、如何产生量子纠缠对、如何限制分别的量子纠缠对等技术问题还未得以攻克，所以现在还无法得以利用量子纠缠效应实现量子通信。但在将来利用量子纠缠效应进行量子通信拥有着极大的利用价值。 4 市场前景分析 随着国家大力发展高速铁路，现有的铁路通信技术在外来将越来越难以满意高速铁路发展的需求。量子通信的应用将极大的解决这个问题。超远距离传输、无噪声干扰传输等问题得到解决，铁路通信将开启新的篇章。 作者单位 西南交通高校信息科学与技术学院 四川省成都市 610100 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页