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關于量子通信與量子計算,終于有人講透了!

2018-09-17 09:01:37 來源:n

1 引言

量子信息科學(Quantum Information)是以量子力學為基礎,把量子系統“狀態”所帶有的物理信息,進行信息編碼、計算和傳輸的全新信息技術。量子信息技術主要包括量子通信和量子計算,由于它們具有潛在的應用價值和重大的科學意義,正引起人們廣泛的關注和研究。

本文首先介紹量子相關的基本概念、性質及基本原理;接著,從量子通信和量子計算兩個部分闡述其原理與發展現狀;然后,簡單介紹了后量子密碼學(也稱抗量子密碼體制)的發展情況;最后,對量子信息技術的發展進行總結與展望。

2 量子信息簡介

在本章中,首先介紹量子和量子信息基本概念及相關特性;然后介紹量子信息學領域的研究分支及其研究內容。

2.1 量子概念

量子(Quantum)屬于一個微觀的物理概念。如果一個物理量存在最小的不可分割的基本單位[1],那么稱這個物理量是可量子化的,并把物理量的基本單位稱為量子。現代物理中,將微觀世界中所有的不可分割的微觀粒子(光子、電子、原子等)或其狀態等物理量統稱為量子。

量子這個概念最早由德國物理學家普朗克在1900年提出的,他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的,只能取能量基本單位的整數倍,這很好地解釋了黑體輻射的實驗現象。即假設對于一定頻率的電磁輻射,物體只以“量子”的方式吸收和發射,每個“量子”的能量可以表示為:,為普朗克常數。

量子假設的提出有力地沖擊了牛頓力學為代表的經典物理學,促進物理學進入微觀層面,奠定了現代物理學基礎,進入了全新的領域。

2.2 量子基本特性

作為一種微觀粒子,量子具有許多特別的基本特性,如量子力學三大基本原理:

  • 量子測不準

也稱為不確定性原理,即觀察者不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度,粒子位置的總是以一定的概率存在某一個不同的地方,而對未知狀態系統的每一次測量都必將改變系統原來的狀態。也就是說,測量后的微粒相比于測量之前,必然會產生變化。

  • 量子不可克隆

量子不可克隆原理,即一個未知的量子態不能被完全地克隆。在量子力學中,不存在這樣一個物理過程:實現對一個未知量子態的精確復制,使得每個復制態與初始量子態完全相同。

  • 量子不可區分

量子不可區分原理,即不可能同時精確測量兩個非正交量子態。事實上,由于非正交量子態具有不可區分性,無論采用任何測量方法,測量結果的都會有錯誤。

除此之外,還包括以下基本特性:

  • 量子態疊加性(superposition)

量子狀態可以疊加,因此量子信息也是可以疊加的。這是量子計算中的可以實現并行性的重要基礎,即可以同時輸入和操作個量子比特的疊加態。

  • 量子態糾纏性(entanglement)

兩個及以上的量子在特定的(溫度、磁場)環境下可以處于較穩定的量子糾纏狀態,基于這種糾纏,某個粒子的作用將會瞬時地影響另一個粒子。愛因斯坦稱其為: “幽靈般的超距作用”。

  • 量子態相干性(interference)

量子力學中微觀粒子間的相互疊加作用能產生類似經典力學中光的干涉現象。

2.3 量子信息

利用微觀粒子狀態表示的信息稱為量子信息。量子比特(quantum bit或qubit)是量子信息的載體,它有兩個可能的狀態,一般記為,對應經典信息里的0和1。狀態是二維復向量空間中的單位向量,它們構成了這個向量空間的一組標準正交基。量子比特的狀態是用一個疊加態表示的,如,其中,而且測量結果為態的概率是,而得到態的概率是。這說明一個量子比特能夠處于既不是又不是的狀態上,而是處于和的一個線性組合的所謂中間狀態之上。經典信息可表示為,而量子信息可表示為

一個經典的二進制存儲器只能存一個數:要么存 0,要么存 1。但一個二進制量子存儲器卻可以同時存儲0和1這兩個數。兩個經典二進制存儲器只能存儲以下四個數的一個數: 00,01,10 或 11。倘若使用兩個二進制量子存儲器,則以上四個數可以同時被存儲下來。按此規律,推廣到N個二進制存儲器的情況,理論上,N個量子存儲器與N個經典存儲器分別能夠存儲個數和1個數。由此可見,量子存儲器的存儲能力是呈指數增長的,它比經典存儲器具有更強大的存儲數據的能力,尤其是當 N很大時( N=250 ),量子存儲器能夠存儲的數據量比宇宙中所有原子的數目還要多[1]

2.4 量子信息學

量子信息學是量子力學與信息科學形成的一個交叉學科,該領域主要包括兩個領域:量子通信和量子計算。其中量子通信主要研究的是量子介質的信息傳遞功能進行通信的一種技術,而量子計算則主要研究量子計算機和適合于量子計算機的量子算法。

圖 1 量子信息學的研究分支

3 量子通信

所謂量子通信,從概念角度來講就是利用量子介質的信息傳遞功能進行通信的一種技術。它主要包括量子密鑰分配、量子隱形傳態等技術。量子密碼 (Quantum Cryptography)是利用量子力學屬性開發的密碼系統。與傳統的密碼系統不同的是,它的安全性依賴于量子力學屬性(不可測量和不可克隆等)而不是數學的復雜度理論。量子密鑰分配是研究最為成熟的量子密碼技術。在本章中,我們首先簡單地介紹量子通信系統的基本模型以及優勢,然后介紹量子密鑰分配和量子隱形傳態的基本原理。接著,概述量子通信的目前研究與發展現狀。最后,總結量子通信目前存在的問題。

3.1 量子通信系統基本模型

量子通信體系架構包括量子態發生器、量子通道和量子測量裝置以及經典信道等部分,其基本模型如圖2所示。

圖 2 量子通信系統基本模型

量子通信過程可以從發送端和接收端兩個角度理解。

在發送端,量子信源模塊產生消息,消息通過量子編碼模塊轉換成量子比特,量子比特通過量子調制模塊得到以量子態為載體的量子信息,量子信息通過量子信道進行傳輸。除此以外,量子調制的模式信息(傳統的信息)需要使用經典信道進行傳輸。

在接收端,將接收到兩部分信息:量子信道接收量子信息;經典信道接收額外的經典信息。這兩部分信息通過解調和解碼模塊后,獲得最終的消息。

3.2 量子通信技術優勢

量子通信與傳統通信技術相比,具有如下主要特點和優勢:

(1) 時效性高。量子通信的線路時延近乎為零,量子信道的信息效率相對于經典信道量子的信息效率高幾十倍,傳輸速度快。

(2) 抗干擾性能強。量子通信中的信息傳輸不通過傳統信道(如傳統移動通信為了使得通信不被干擾,需要約定好頻率,而量子通信不需要考慮這些因素),與通信雙方之間的傳播媒介無關,不受空間環境的影響,具有完好的抗干擾性能。

(3) 保密性能好。根據量子不可克隆定理,量子信息一經檢測就會產生不可還原的改變,如果量子信息在傳輸中途被竊取,接收者必定能發現。

(4) 隱蔽性能好。量子通信沒有電磁輻射,第三方無法進行無線監聽或探測。

(5) 應用廣泛。量子通信與傳播媒介無關,傳輸不會被任何障礙阻隔,量子隱形傳態通信還能穿越大氣層。因此,量子通信應用廣泛,既可在太空中通信,又可在海底通信,還可在光纖等介質中通信。

3.3 量子密鑰分配基本原理

量子密鑰分配 (Quantum Key Distribution, QKD)以量子態為信息載體,通過量子信道使通信收發雙方共享密鑰,是密碼學與量子力學相結合的產物。QKD 技術在通信中并不傳輸密文,而是利用量子信道將密鑰分配給通信雙方,由于量子力學的測不準和量子不可克隆定理,攻擊者無法獲取正確的密鑰。

基于QKD 技術的保密通信系統結構如圖3所示,其中上路負責密鑰分配,下路負責傳輸加解密數據。在上路中,量子信道負責傳輸量子密鑰,經典信道負責傳輸測量[2]等額外需要的信息。下面,將以BB84[5]方案為例,具體地介紹兩條信道起到的作用。

圖 3 基于QKD 的量子保密通信系統

BB84 方案。1984 年,Brassard與Bennett聯合提出了第一個實用型量子密鑰分配系統—BB84 方案,系統架構如圖4 所示。

圖 4 BB84協議示意圖[20]

該方案通過量子信道傳送密鑰,量子信道的信息載體是單個量子,通過量子的相位、極化方向或頻率等物理量攜帶量子密鑰信息。BB84 方案利用單個量子作為信息載體兩組共扼基,每組基中的兩個極化互相正交。由于理想狀態的量子信道無法實現,BB84 方案還利用經典信道進行量子態測量方法的協商和碼序列的驗證。

假設Alice和Bob使用的是光量子系統,光的偏振態編碼為量子信息,不同的偏振態代表量子比特。如圖4,Alice有四種偏振片,水平和垂直方向(組成一組正交基)、-45°和+45°方向(組成一組正交基),因此可以制備四種不同偏振方向的光量子,分別代表。如圖4,Bob有兩種測量基,第一種可以接收和測量水平或垂直方向的光量子,判斷是還是;同理第二種能接收和測量-45°或+45°的光量子,是還是

 

有趣的現象:接收端必須使用正確的測量基,才能正確地測出量子比特(光量子的偏振態);使用錯誤的測量基,測量結果將發生錯誤,同時光量子的偏振態發生改變,如圖5所示。

圖 5測量基對測量結果的影響[20]

有了以上基礎后,理解BB84協議將變得相對容易,其主要步驟如下:

量子信道部分

(1)  Alice發送隨機的量子比特串給Bob。Alice隨機選擇四種偏振片,制備不同偏振狀態的光量子,得到足夠多的隨機量子比特并將其發送給Bob。

(2)  Bob隨機選擇測量測量量子比特。由于Bob并不知道光量子是由發送端那一種測量基編碼的,所以他也只能隨機選擇測量基來進行測量。當選擇正確的測量基時,測量的結果正確。當使用錯誤的測量結果時,測量結果錯誤。

經典信道部分

(3)  Bob將使用的測量基發送給Alice。

(4)  Alice將接收的測量基與使用的測量基進行比較,并通過信息告訴Bob哪些位置的測量基是正確的。

(5)  Bob根據Alice的消息剔除錯誤的量子比特,并將選擇少部分正確的測量結果告訴Alice。

(6)  Alice確認Bob測量結果的正確性。若錯誤,則說明存在量子信道可能存在竊聽,停止通信或者返回第 (1) 步(由于實際的量子信道中也存在噪聲,因此會根據一個錯誤率閾值判斷是否竊聽和停止通信)。若正確,剔除部分的量子比特,剩下的二進制串作為最終的密鑰。并發送確認信息給Bob。

(7)  Bob收到確認信息。同樣剔除部分的量子比特,剩下的二進制串作為最終的密鑰。

我們對BB84協議的安全性做一個簡單的分析:

如果Eve在量子信道中旁路竊聽,由于量子不可克隆,因此Eve無法復制出一份相同的量子比特副本;如果他在量子信道中直接測量光量子,由于Eve不知正確的測量基,他也會隨機選擇,有50%的概率選擇正確,50%的概率選擇錯誤。若選擇的測量基錯誤,有上述的有趣的現象可知,測量結果錯誤,同時光量子的偏振態發生改變。當協議的步驟由 (2) 執行到 (6) 時,Alice將發現到量子信道的竊聽,那么她將終止這一過程。

如果在經典信道進行竊聽呢?實際上也是無效的。即使Eve知道了測量基信息(步驟 (3)),然而由于量子不可克隆,無法得到正確的量子比特串副本。由以上分析可知,BB84協議基于量子不可克隆等原理,實現安全的密鑰分配過程。

3.4 量子隱形傳態基本原理

量子隱形傳態( Quantum Teleportation) 又稱量子遠程傳態或量子離物傳態,是利用量子糾纏的不確定特性,將某個量子的未知量子態通過EPR對(糾纏量子對)的一個量子傳送到另一個地方(即EPR對中另一個量子),而原來的量子仍留在原處。如圖所示6所示,Alice想和Bob通信,具體流程如下:

(1) 制備兩個有糾纏的EPR量子(粒子)對,然后將其分開,Alice和Bob各持一個,分別是粒子1和粒子2。

(2) Alice粒子1和某一個未知量子態的粒子3進行聯合測量,然后將測量結果通過經典信道傳送給接Bob。

此時,神奇的事情發生了:Bob持有的粒子2將隨著Alice測量同時發生改變,由一量子態變成新的量子態。這是由于量子糾纏的作用,粒子2和粒子1之間如同有一根無形。

(3) Bob根據接收的息和擁有粒子2做相應幺正變換(一種量子計算變換),根據這些信息,可以重構出粒子3的全貌。

圖 6 量子隱形傳態原理圖

3.5 理論與試驗研究進展

1993年,學術界給出了一種利用量子技術傳輸信息的實際方案,4年后量子通信技術在奧地利科學家的實驗室中正式完成了實驗驗證。經過十多年的發展,量子通信先后實現了信息傳遞從600m(2007年)到通信距離144km(2012年)的巨大跨越,標志量子通信從理論階段走向實用化階段。下面從量子密鑰分配和量子隱形傳態兩個主要研究領域進行介紹。

(1) 量子密鑰分配

國外:1993年,英國研究小組首先在光纖中,使用相位編碼的方法實現了BB84方案,通信傳輸距離達10km;1995年,該小組將距離提升到30km。瑞士于1993年用偏振光子實現了BB84方案,光子波長1.3mm,傳輸距離1.1km,誤碼率0.54%;1995年,將距離提升到23km,誤碼率為3.4%;2002年,傳輸距離達到67km。2000年,美國實現自由空間量子密鑰分配通信,傳輸距離達1.6km。2003年,歐洲研究小組實現自由空間中23km的通信。2008年10月,歐盟開通了8個用戶的量子密碼網絡;同月,日本將量子通信速率提高100倍,20km時通信速率達到1.02Mbit/s,100km時通信速率達到10.1kbit/s。目前,國外光纖量子密鑰分配的通信距離達300km,量子密鑰協商速率最高試驗記錄在50km光纖傳輸中超過1Mb/s[2]

圖7 北京—天津量子密碼實驗[1]

國內:2004年,郭光燦團隊完成了途徑北京望京—河北香河—天津寶坻的量子密鑰分配,距離125km。2008年,潘建偉團隊建成基于商用光纖和誘騙態相位編碼的3節點量子通信網絡,節點間距離達20km,能實現實時網絡通話和3方通話。2009年,郭光燦團隊建成世界上第一個“量子政務網”。同年9月,中國科技大學建成世界上第一個5節點全通型量子通信網絡,實現實時語音量子密碼通信。2011年5月,王建宇團隊研發出兼容經典激光通信的“星地量子通信系統”,實現了星地之間同時進行量子通信和經典激光通信。2012年2月17日,合肥市城域量子通信實驗示范網建成并進入試運行階段,具有46個節點,光纖長度1700km,通過6個接入交換和集控站,連接40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。2013年5月,中科院在國際上首次成功實現星地量子密鑰分發的全方位地面試驗。同年11月,濟南量子保密通信試驗網建成,包括三個集控站、50個用戶節點[2]。在2016年8月16日,我國發射首顆“墨子號”量子衛星,這標志著我國在全球已構建出首個天地一體化廣域量子通信網絡雛形,為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡邁出了新的一步。

(2) 量子隱形傳態

1997 年,奧地利Zeilinger小組首次成功實現了量子隱形傳態通信; 1998 年初,意大利Rome 小組實現將量子態從糾纏光子對中的一個光子傳遞到另一個光子上的方案; 同年底,美國CIT 團隊實現了連續變量(連續相干光場) 的量子隱形傳態,美國學者用核磁共振( NMR) 的方法,實現了核自旋量子態的隱形傳送。2001 年,美國Shih Y H 團隊在脈沖參量下轉換中,利用非線性方法實施Bell 基的測量,完成量子隱形傳態。2002年,澳大利亞學者將信息編碼的激光束進行了“遠距傳物”。1997 年,我國潘建偉和荷蘭學者波密斯特等人合作,首次實現了未知量子態的遠程傳輸;2004 年,潘建偉小組在國際上首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸,此后又首次實現6光子、8光子糾纏態; 2011 年,在國際上首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發,解決了通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。2012年9月,奧地利、加拿大、德國和挪威研究人員,實現了長達143公里的“隱形傳輸”[2]

3.6 產業化進展與面臨的挑戰

量子通信的戰略意義吸引了西方各國科研機構的關注,IBM、NIST、Battelle、NTT、東芝、西門子等著名公司和機構一直密切關注其發展并投資相關研究。英國政府在2013年發布了為期5年的量子信息技術專項,投入2.7億英鎊用于量子通信和量子計算等方面的研究成果轉化,促進新應用和新產業的形成。國外成立了多個專門從事量子通信技術成果轉化和商業推廣的實體公司。例如美國的MagiQ公司和瑞士日內瓦大學成立的idQuantique公司等,能夠提供QKD量子通信的商用化器件、系統和解決方案。法國電信研究院成立的SeQureNet公司從事連續變量量子密鑰分發產品的開發。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室成立了Qubittek公司,主攻智能電網安全通信領域[4]

國內開展量子通信相關研究的代表性機構包括中國科學技術大學、中國科學院微系統所和技術物理所、清華大學、山西大學和南京大學等。以中國科學技術大學相關研究團隊為核心發起成立了科大國盾量子、安徽問天量子和山東量子等產業化實體,進行量子通信前沿研究成果向應用技術和用化產品的轉化,國家對量子通信領域持續的專項投入和政策扶持為其發展提供了強勁動力。

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