量子纠缠通信技术研究

2022-09-21 15:47:11 来源:写作指导

一、概论

量子是现代物理的重要概念,与经典物理有根本的区别,提供了全新的原理和思考方式。量子具有不确定性和不可测量性,量子的世界不遵循经典物理学定律,因此人们对量子世界的探索存在很多困难。通过科学家的不断探索,在量子信息研究领域有了许多的突破,其中产生了量子通信这一新兴技术。目前量子通信主要有两种应用,一种是较为成熟的量子密码通信,一种是量子隐形传送。2012年度诺贝尔物理学奖,法国科学家塞尔日•阿罗什与美国科学家大卫•维因兰德实现了对单个原子的测量和控制,阿罗什的工作是打造出一个微波腔,借助单个原子在微波腔中会辐射或吸收单个光子的特性,实现了操纵单个光子。而维因兰德则制造出了一个离子阱,先用光来俘获离子,然后用激光冷却离子,进而对离子进行测量和控制。量子计算和精密测量有了变成现实的可能性。

二、量子纠缠

Hilbert空间是欧几里德空间的一个推广,不再局限于有限维,是一个完备的空间,其上所有的柯西序列等价于收敛序列,从而微积分中的大部分概念都可以无障碍地推广到Hilbert空间中。能用Hilbert空间中的一个矢量表示的量子系统称为纯态,反之,如果不是处于确定的态而是以某一种几率分布的,称之为混合态。通常量子比特表示为:|Ψ〉=α|0〉+β|1〉,|α|2+|β|2=1(叠加态形式)。两个纯态|Ψ1〉和|Ψ2〉的线性叠加所描述的量子态|Ψ〉=c1|Ψ1〉+c2|Ψ2〉对应Hilbert空间的一个矢量,也是一个纯态。经过测量的量子态会坍缩到|0〉或|1〉,这个过程是不可逆的。这是二维Hilbert空间中量子态的描述,类似于三维球面上的一个点。在具有n个量子态的系统中,状态空间由2n个基向量组成。在未对系统进行操作之前,量子态可能为2n中的一个,与经典存储系统相比,量子系统能在某一时刻保持2n个状态,因此量子系统具有更大的计算潜力。爱因斯坦不愿承认并称之为“幽灵般的超距作用(spookyactionatadistance)”的量子纠缠,指两个相互独立的粒子可以相互影响,对其中一个粒子进行观测可以即时地影响到其它粒子,无论它们之间的距离有多远。量子纠缠描述了量子子系统相互影响的现象,对一个子系统的测量瞬间影响了其他子系统的状态。一个由|ΨA〉和|ΨB〉两个子系统组成的复合系统|Ψ〉,如果可以表示为|ΨA〉×|ΨB〉,则|Ψ〉处于直积态,否则处于纠缠态。常见的纠缠态有:两个粒子构成的bell基,三个粒子构成的GHZ态等。二粒子纯态纠缠的研究最为完善,bell态是量子通信中最基本的纠缠资源。处于bell态的两个纠缠粒子称为EPR对。四维Hilbert空间中的正交完备基称为bell基。在量子通信中,最常用的测量方法是bell基测量。

三、量子纠缠的应用

目前量子通信的两种主要方式:量子密码通信和隐形传送。量子密码或量子密钥分配是利用了观测一般会干扰被观测系统的量子力学原理来实现的。量子的不可分割性和量子态的不可复制性保证了信息的不可窃听和破解,进而实现根本上、永久性解决信息安全问题的目标。量子隐形传态需建立在经典物理信道的基础上才能实现。在研究量子领域早期,人们最感兴趣的一个问题是能否利用量子纠缠实现超光速通信,这个问题的答案是否定的,原因在于量子的不可克隆性,仅依靠量子纠缠系统无法传递具体信息,要将原量子态的全部信息提取出来,需分别根据其经典信息和量子信息来构造,因此无法实现瞬间传输。量子隐形传态利用量子纠缠态作为通道,利用量子作为载体,把信息从一个地方传递到另一个地方。量子隐形传态的任务可以简单地描述为:假设存在一对共享的量子比特为A、B,利用A、B来传送量子态C。将A、B分别置于系统的两端,现将量子比特A和C作幺正变换,测量后得到两个经典量子比特的信息,在这个过程中两个量子比特被破坏。量子比特B现在包含了关于C的信息,但观测者仍无法得到C的任何信息,量子比特B处于四个任意的量子态之一。现在需通过经典通信通道将A的测量结果发送到B端,根据A的测量结果,对B作相应的幺正变换,此时量子比特B的状态变为C,实现了量子态的传送。

四、量子通信技术的发展现状

理想量子通信与传统通信相比,有着安全、无障碍通信等优势,但目前仍难以实现,量子测量、量子态的控制仍在不断完善,基于纠缠的量子隐形传态方式仍处在实验室阶段。2012年6月,潘建伟团队在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定了技术基础。2016年8月16日,中国国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”,标志着中国在量子通信领域又迈出重要一步。“墨子号”的主要科学目标是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。并在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。量子技术的迅速发展,预示着量子科技的无线前景,将给人类生活和生产带来革命性的成果,对国防、对经济有着重要影响。因此,我们应加快量子通信技术实用化进程,在国际技术竞争中占据有利地位。

作者:黄哲 单位:深圳供电局有限公司

参考文献

[1]《量子安全通信与量子信道理论有关问题的研究》王敏杰

[2]《量子纠缠技术与量子通信》1007-9416(2012)10-0060-01舒娜石际

[3]《量子态的可分性与量子纠缠度量》黎小胜

[4]《高维量子纠缠态的制备及其在量子通信中的应用》叶欣露