量子通信的原理与优势

摘要：量子力学自产生起，就一直被质疑它的正确性，无数的科学实验证实了它是正确的。如今，量子力学作为现代物理的基础，已经有着广泛的应用。我国于2016年8月成功发射了墨子号量子通讯卫星，实现了量子通信。本文将针对量子通信的原理和优势进行说明。

关键词：量子力学；通信；原理；优势

一、量子通信简介

量子通信是一种新型通讯方式，主要利用量子纠缠的特点进行信息传递。它是一门新兴的交叉学科，由通信和物理结合而成的新领域。量子通信主要包含：量子密码通道，量子远程传态，量子密集编码等。这门技术已经从实验室状态扩展到实际生产应用中。基于量子力学的通信具有安全性好、失真度低、传输距离远、容量大的特点，成为国际研究热点。

二、原理

量子通信的原理只要有量子纠缠、量子不可克隆定理、秘钥分配和隐形传态四个部分。与传统的密码学不同，量子密钥分配是密码学与量子力学相结合的产物，它以量子态为信息载体，利用量子力学的一些基本物理原理来传输和保护信息[1]。

（1）量子纠缠 量子纠缠描述复合系统（具有两个以上的成员系统）之一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积。量子纠缠技术起到安全的传输信息的目的。利用固定的两个量子态纠缠的粒子，携带信息传递到另一个地区，根据纠缠原理，必须是和它纠缠的粒子才可与其再次形成纠缠态。这样便可以起到很好的加密作用：

即A和B两个纠缠的粒子表达一定的信息，以A为密钥，把B传送到另一地点，那么若想破译信息，则必须用A粒子再次和B形成纠缠态方可破译。这样大大保证了信息传递的安全，且破译具有唯一性。

因为纠缠态的每一分量均由两个粒子的单态构成， 所以处于纠缠态的两个粒子具有这样的特性：. 一旦我们确定了其中一个粒子测量的，状态， 那么， 就立即知道另一个粒子所处的状态， 不管它们相距多远[2]。

设粒子A和B对应两个量子态、，那么他们共有叠加态：

如果我们对其中一个粒子，假定是A，如果测出它的量子态是，那么如果是对的纠缠态，那么B粒子对应的一定是。

（2）量子不可克隆定理

其具体内容可从以下三方面表述[3]：

①不存在任何物理过程， 能做出两个不同的非正交态的完全拷贝。

②量子系统的任意未知量子态不能被完全拷贝。

③要从编码在非正交量子态中获得信息， 这些态不遭破坏是不可能的。

由此我们知道，如果固定两个叠加态的粒子，不可能出现另一对与其完全一样的一对粒子。这就是加密的基础。试想，如果包含信息的这一对粒子可以被复制，那么只需要创造出一个与其完全匹配的另一个粒子A`，就能破译密码。那这个不可克隆定理就限制了不可能有粒子A`=粒子A。

（3）量子密钥分配

秘密通信依赖于密钥， 如果发送者Alice和接收者Bob 通信双方拥有他们自己才知道的私人密钥， 就可以进行秘密通信。Alice可以把密钥的对应位加上她的消息编码的每一位，发送给Bob， Bob收到这个随机位串后， 利用密钥就可提取出Alice发来的消息。窃听者即使截获传输中的信号， 也不可能获得任何消息， 因为单独传输中的位串本身并不携带消息， 消息是编码在传输串和密钥相关中的[4]。

常见的协议有：

①基于两种共扼基的量子密钥分配方案， 其代表为BB84协议。

② 基于两个非正交的两态量子密钥分配方案

③ 基于EPR佯谬的纠缠态量子密钥分配方案， 该方案应用量子力学的非局域性， 以EPR粒子对作为量子通道来传送密钥。

这些协议的基础均是基于前述的未知量子態不可克隆定理基础上建立的。

（4）量子隐形传态

量子隐形传态又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传，是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。是一种全新的通信方式。它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的“超时空传输”，在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。

三、优势

量子通信的优势有安全性好、失真度低、传输距离远、容量大。它与传统的无线电通讯与光通讯相比，有着许多的优势。

光通讯一般采取铺设光缆的方式，通过光携带信息，在光纤介质中多次发生全反射，进行传输。无线电通讯作为二战时期使用频率最高的通讯方式，有着即时通讯的优势。信息通过无线电波加密，在空中以场的形式传播，随时接收，随时翻译。但由于接收没有选择性，故很容易被窃取，故需要对传输的信息进行加密，保密性的好坏主要取决于密码编辑的复杂程度。比如对讲机、无线电报。以及现在普及的4G信号等，通过中转站进行更远距离的传输。现在发展到卫星通讯，如地图导航等，直接发送信号至卫星，进行信息传递和反馈。

量子通讯兼有以上所有通讯的特点，可以说有过之而无不及。其保密性好，传输距离上比无线电通讯更远，且成本更低，与一些物理讯息的转换来传送量子态至任意距离的位置可以实现超远距离传输。可以说量子通讯用于军事，可以加强信息传递的保密性；用于生活可以减少基站建设数和卫星发射数，提高资源利用率。

总之，量子通信作为新型的通讯方式， 已经成为各国竞相研究的课题。人们对量子通信技术的研究已经取得良好的进展，基本实现了量子通讯且走进生产。但它也只是走出了实验室走进了生产，在大规模推广和应用方面还有很长的路要走，任重而道远。如果人类能够完全解决量子通信的技术难题，这将使人类的生活产生翻天覆地的变化。量子通信将会发挥着越来越重要的作用，有着更加广泛的应用前景。

参考文献：

[1]苏晓琴，郭光灿. 量子通信与量子计算[J]. 量子电子学报，2004，（06）：706-718.

[2]何玲燕，王川，焦荣珍，马海强，于丽. 量子通信原理及进展概述[J]. 中国电子科学研究院学报，2012，（05）：466-471.

（作者单位：郑州大学物理工程学院）