PDF《量子通信！》

量子通信! 薛鹏! 郭光灿 (中国科学技术大学 中国科学院量子信息重点实验室 合肥 #$$ %) 摘要量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科&

文章综述了量子通信领域的研究进展, 既包括人们所熟知的量子隐形传态、 密集编码和量子密码学, 也包括刚刚兴起但却有巨大潜力的量子通信复杂度 和远程量子通信等领域&

文章介绍了量子通信的基本理论框架, 同时也涉及了这个领域最新的实验研究的进展&

关键词 量子通信,量子隐形传态, 量子密集编码, 量子密码术, 量子通信复杂度, 远程量子通信 .

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1598, ! 国家自然科学基金 (批准号: %LMNM$ OPQ$O, R$$$S$$LPJ$S$S$O) , 国 家重点基础研究发展规划 (LN#) (批准号: $$R3T#$L#$$) 资助项目 $$ U $R U L 收到 ! 通讯联系人 &

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+48 粒子#实施 3&

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基联合测量 (3C) , 测量的结果将出现 在四种可能的量子态当中的任意一个, 其几率为 DE, 对应于 ;

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1 的观点, 便开始考虑量子密 码术具体的实施方法, 提出了一些早期的方案 (如'

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69 方案) [/E] , /D6D 年在 0'

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7-(, 研究中心建立起一个完全能工作的原型样机!目前, 量子密码术的研究引起了人们的广泛兴趣, 在理论 和实验方面均取得了重要进展! 采用光纤传输线已 实现 963M 的密钥传送, 自由空间的量子密码实验 也取得了很大进展! 量子密码术的实用化已经指日 可待! 目前, 量子密码的方案主要有以下几种: (/) 基于两种共轭基的四态方案, 其代表为'

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69 协议 [/E] ! (*) 基于两个非正交的两态方案, 如'

D* 协议[/6] ! (8) 基于量子纠缠的 NO: 粒子对方案, 由N3&

17 于/DD/ 年提出, 称为 ND/ 协议 [/D] ! (9) 基于正交态的密钥分配方案, 其基础为正交 态的不可克隆定理 [*F―**] ! 最近, P( 等人提出了一种改进的四态方案 [*8] , 不等几率地选择测量基使得密钥分配的效率接近 /FFQ !在此基础上, 我们提出了一种高效率两态的 NO: 方案 [*9] , 以及基于三个非正交态的三态方案, 利用一种 空间光开关 (-R>

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# -=$7%A) 的装置 有望实现密码网络 [*5] , 其结构如图

8 所示! 近年来, 人们开始寻求一种严格证明量子密钥 分配 (STU) 的安全性的方法 [*G―*6] , 起初的几种证明 方法都不尽如人意, 甚至需要用到量子计算机!*FFF 年, ;

A(1 和O1&

-3$## 提出了一种简单的方案 [*D] , 巧妙 地将纠缠纯化方案 [8F] 和量子纠错码 (I;

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码) [8/] 结 合起来, 严格地证明了 '

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69 方案的安全性! 在此基 础上, P( 等人也采用类似的方案证明了一种六态协 议的安全性 [8*] ! 量子密钥分配的第一个演示性实验由 '

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77 等人完成 [88] !随后, 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室, 创造了目前光纤中量子密码通信距离的新纪录! 他 们采用类似英国的实验装置, 通过先进的电子手段, 以'

D* 方案成功地在长达 963M 的地下光缆中传送 量子密钥 [89] ! 自由空间中的 STU 也不断地取得突 破, 现在达到的传输距离为 /453M [85] ! 在中国, 量子 ・ E

6 8 ・ 8/ 卷(*FF* 年)G 期图!量子密码网络原理图 密码通信的研究刚刚起步, 中国科学院物理研究所 于 ##$ 年以 %%&

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方案在国内首次做了演示性实 验[!(] , 华东师范大学用 %#) 方案做了实验, 但也是 在距离较短的自由空间里进行的 [!*] + ),,

, 年, 中国 科学院物理研究所与中国科学院研究生院合作, 在&

$,-. 的单模光纤中完成了 / 0. 的量子密码通信 演示性实验+ 在上述方案中, 量子密钥是在两点之间传输、 建 立的, 因而都是点对点的传输系统+密钥分配想要实 用化, 就必须在网络中得以实现, 能够进行一点对多 点或者任意两点之间的密钥传递+ 网络密钥传输有 树状、 环状、 链式等多种结构, 这里就其中树状结构 网络做简要介绍+ 树状结构网络可以用下面的示意图 (图'

) 简单 表示, 其中

1 是发送端, 而2 是其中的一个接收端,

3 代表光纤分束器+尽管树状网中有很多接收端, 但 是由于量子密钥中的载体一般情况下都是单粒子 态, 因而他们既不能被分流也不能被克隆+从发送端

1 发送的一个单粒子只能被其中的一个接收端接 收, 这相当于发送者

1 与这个接收端之间经历了一 个点对点的密钥分配系统+因此, 在一系列的数据传 输完成之后, 各个单粒子态分别随机地被某个接受 端接收, 最终的效果相当于发送者

1 与!个接收者 之间分别建立一套点对点的密钥传输系统, 分别建 立和分配了一组密钥序列+ 建立的方式可以是现存 方法中的任何一种 (相干态方案除外) + 英国 %4 实 验室的科学家 456-78-9 采用上述模型, 利用光子相 位干涉的方法实现了一点对三点的密钥分配+ 发送 者与每个接收者之间的距离为 '

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0., 密钥分配的 速率为 0:;

7, 误码率 !<

+该项成果证明了量子密钥 在光纤网络中分配的可行性+ 尽管该实验仅实现了 发送者与接收者之间的距离为 '

/$. 的密钥分配, 但原则上分配的距离不受限制, 影响的因素是探测 设备的性能+该项成果被作为量子密钥分配的重大 突破发表在权威杂志 =>

?@A8 上[!&

] + 图'

树状结构网络示意图 关于量子保密通信, 依然存在很多问题需要解 决, 其中包括量子秘密共享、 网络量子密码、 身份认 证、 数字签名, 以及最近提出的量子指纹 [!#] 等+ 这些 方案的优越性在理论上已经得到证实+ $ 量子通信复杂度 在提高通信效率方面, 量子通信同样具有经典 世界中无可比拟的某种优越性+一般来说, 通信各方 分别拥有一部分输入, 并希望共同完成某个布尔函 数的计算, 各方都能获知函数正确值的情况下, 所需 要的最小通信量被称为通信复杂度 (B5..@-CB>

?C5- B5.DE8FC?G) + 假设通信双方 HECB8 和%5: 相距一段距离, 需要 合作解决一个由分布式输入决定的任务: (#, $) : # I $!% (#, $ { ,,

} ! ) + HECB8 和%5: 分别拥有这 个方程的输入的一部分, 他们的目的在于计算出方 程的值+通常, 我们会对输入加一个条件, 使之满足 一个布尔方程+最普通的解法是 HECB8 将她的输入值 告诉 %5:, 由%5: 来计算方程 的结果 % +如果要求双 方都知道最终的结果, %5: 再将结果 % 传送给 HECB8+ 如果我们关心的是完成这个任务所需的通信量, 对 一些具有特殊形式的方程来说, 如果允许小的出错 概率! , 则存在更为有效的解决方法+ 在通信复杂性的经典模式中, 通常允许 HECB8 和%5: 事先分享一组随机的变量, 虽然从数学的角度 来看, 这样做并没有多大意义+ 在这种方案中, 假设 HECB8 根据某种特定的输入持有一随机比特串 (或者 ・ &

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! ・ 物理 整数) , 或者有时甚至是一个随机的实数, 她告诉 ! # 这串数据初始的相位$ 这一切发生在双方交换 数据之前, 因此不会计入通信量$ 继%&

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年提出经典通信复杂性的概念 [()] 之后, *+ (姚以智) 又首次将量子资源应用于解决分布式 的布尔函数的计算 [(%] $ 他设想了一种量子通信复杂 度的模型, 通信方除了各自拥有一组字符串作为函 数的初始输入外, 还分别有一组独立的量子比特置 于初始态$在通信过程中, 其中的一方根据计算函数 的需要, 对自己的量子比特做一个幺正变换, 然后把 其中一部分量子比特传送给另一方$最后, 另一方测 量他的量子比特, 其结果即为函数的输出结果$这就 是最早的量子通信复杂性的方案, 然而, 根据 , -./ 理论 [(0] , 这样做并不能降低通信复杂度$, -./ 定理 指出: 仅通过传送 ! 个量子比特不能够传送多于 ! 个经典比特的信息$ 第一次成功地证明了利用量子信息可以减少通 信复杂度的是 1-./. [(2, ((] 等人$ 他们设计了与上述量 子模型不同的一种模型― ― ―纠缠模型, 即通信仍然 限于使用经典比特, 但是通信各方事先分享一组处 于最大纠缠态的量子比特, 也就是说利用

345 态作 为量子信道, 在传送经典信息的同时, 传送量子信 息, 藉此来减少通信复杂度$ 在这个模型中, 他们证 明了在三方确定性方案中, 事先共享的纠缠可以减 少一个比特的通信量$ 在这类纠缠模型研究上, 我们小组也提出了一 些方案, 例如, 利用两粒子非最大纠缠纯态 [(6] 或7,8 态[(9] 作为量子信道来完成两方以及三方概率 性通信方案, 并在实验上进一步验证了上述结果$ 图 6为我们利用纠缠降低通信复杂度的实验装置 图$图中, 我们使用氩离子连续激光器作为光源, 依 次经过紫外偏振分束器 (:;

4!=4) , 再经 过两块晶轴相互垂直的 !!? 晶体, 发生!型参量下 转换非线性光学过程, 产生的自发辐射孪生光子对 作为非最大纠缠态光子源, 通过调节 >

=4 可以产生 不同纠缠度的光子对$ 局域的旋转操作算符 ( !% ) 和 (!0 ) 是由每条光路中的 ,=4 实现的$对每个非 最大纠缠态, 均有四组经典字符串 )), )%, %) 和%% 作为输入, 对应于每组输入, 纠缠态被施以相应的旋 转操作, 之后经过一个偏振分束器, 进入相应........