量子通信演讲课件.ppt

1、2022-12-1量子通信2022-12-1一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片2022-12-1几乎可以肯定，世界上没有第二张照片，能像这张一样，在一幅画面内集中了如此之多的、水平如此之高的人类精英这是1927年在布鲁塞尔举行的第五届索尔维索尔维会议上的照片。在这次会议上，爱因斯坦和玻尔这两个当时世界上最顶尖的物理学家，进行了科学史上著名的学术辩论。在这次辩论中，玻尔所代表的新生量子论学派获得了更广泛的支持，而维护经典理论的爱因斯坦则被认为不合时宜，站到了对立面。2022-12-1 玻尔和爱因斯坦的争论玻尔和爱因斯坦的争论 经典理论：条件定，结果唯

2、一 量子理论：条件定，结果不唯一爱因斯坦：上帝不掷骰子！上帝不掷骰子！爱因斯坦在纪念牛顿逝世200周年时说过：“牛顿理论的精髓可能会给我们提供力量，去恢复物理现实与牛顿教诲中最深奥的特点严格的因果律之间的和谐。”（不满非决定论基础）最后一位经典物理学家 后来，霍金针对爱因斯坦“上帝不掷骰子”的名言说：“上帝不只是掷骰上帝不只是掷骰子，还把骰子掷到我们看不到的地方子，还把骰子掷到我们看不到的地方!”2022-12-1令令“科学如此性感科学如此性感”的的量子力学量子力学 量子力学是量子力学是20世纪初才诞生的，是近代物理学两世纪初才诞生的，是近代物理学两大支柱之一。大支柱之一。=经典力学：宏观物质

3、的运动规律经典力学：宏观物质的运动规律=量子力学：微观粒子的运动规律量子力学：微观粒子的运动规律 自然界的运动规律。自然界的运动规律。=量子力学的基本规律是统计规律，而经典物理的基本量子力学的基本规律是统计规律，而经典物理的基本规律是决定论、严格的因果律。规律是决定论、严格的因果律。玻尔的名言：玻尔的名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有感到谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑，那他一定没听懂。困惑，那他一定没听懂。”2022-12-1 特性：每时刻的位置、速度完全确定，有特性：每时刻的位置、速度完全确定，有确定的运行轨迹，遵从牛顿力学。确定的运行轨迹，遵从牛顿力学。经典粒子经典粒子2022

4、-12-1微观粒子微观粒子 特点：同时具有粒子性和波动性。特点：同时具有粒子性和波动性。(不确定不确定)设想空间中有一个微观粒子，任何时设想空间中有一个微观粒子，任何时刻有可能在空间中任何点探测到粒子（类刻有可能在空间中任何点探测到粒子（类似经典波的特性），但一旦探测到只能在似经典波的特性），但一旦探测到只能在其中一个探测器处发现该粒子（类似经典其中一个探测器处发现该粒子（类似经典粒子的特性）。粒子的特性）。CABA,B,C,为探测器为探测器2022-12-1经典粒子在某个时刻只能处于确定的物理状经典粒子在某个时刻只能处于确定的物理状态上，经典比特：态上，经典比特：0、1；量子粒子则可以同时处

5、于各种可能的物理状量子粒子则可以同时处于各种可能的物理状态上（叠加态）（态上（叠加态）（diracdirac）|0，|1。因此由于，量子粒子拥有不确定性，在量子因此由于，量子粒子拥有不确定性，在量子力学中力学中微观粒子的状态用波函数描述。微观粒子的状态用波函数描述。2022-12-1 薛定谔猫薛定谔猫宏观量子叠加态（解决爱因宏观量子叠加态（解决爱因斯坦祖母悖论）斯坦祖母悖论）薛定谔于1935年设计了“杀猫实验”。这个猫十分可 怜，她（假设这是一只雌性的猫，以引起更多怜悯）被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，

6、则放出阿尔法粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，雌猫必死无疑。这个残忍的装置由薛定谔所设计，所以雌猫便叫做薛定谔猫。薛定谔的猫是死是活？薛定谔的猫是死是活？12t活死2022-12-1对于这只猫的多世界解释 这只猫即是死的又是活的。只是分别在不同的世界中，在观测者打开盒子的那一刹那，整个世界分裂成两个，在一个世界里观测者看到的那只猫活了下来，在另一个世界里，观测者看到的那只猫不幸死去。除此之外的世界完全一样。解释：没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加状态。电影 Source Code 2022-12-1量子力学对我们生活的启示 在最宏大的

7、视野里，宇宙中运行着的星球的角落里所发生的细微的量子过程，将宇宙一次次的分裂。因而，地球连同我们被一次次的复制，数目巨大到难以想象的宇宙的不同版本在同时上演。在我们每一次的选择中，宇宙被分裂成几个世界，因而你的不同版本的生命形态在同时上演，可见我们每个人的生命都是丰富多彩的 可见，现在我们在座的每个人能坐在这里并结下深厚的友谊是经过多少次的宇宙分裂得来的，所以大家要珍惜现在生活，感恩生命的伟大！2022-12-1由量子力学到量子信息由量子力学到量子信息 量子特性应用到信息领域中可以发挥量子特性应用到信息领域中可以发挥出独特的功能，在提高运算速度、确保信出独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全

8、、增大信息容量等方面可以突破现息安全、增大信息容量等方面可以突破现有的经典信息系统的极限，于是诞生了一有的经典信息系统的极限，于是诞生了一门新兴的交叉学科：门新兴的交叉学科：2022-12-1量子信息科学它是量子物理与信息科学相结合的产物。它是量子物理与信息科学相结合的产物。量量子子通通信信量量子子密密码码2022-12-1什么是量子通信？什么是量子通信？我们可以通过类比来了解它的意义：电子通信：通过电信号的参数传送信息电子通信：通过电信号的参数传送信息 量子通信：由量子态携带信息量子通信：由量子态携带信息 量子通信系统的基本部件量子态发生器、量子通道和量子测量装置。量子态发生器、量子通道和量

9、子测量装置。2022-12-1量子信息与经典信息的根本区别经典信息经典信息 二进制二进制0或或1组成的数字串，其信息组成的数字串，其信息单元称为单元称为“比特比特”，为，为0或者或者1。用量子的语言可描述为态用量子的语言可描述为态 和和 。经典粒子只能处在经典粒子只能处在 或或 之中的一个态之中的一个态上。上。0101量子信息量子信息 微观粒子允许同时处在微观粒子允许同时处在 和和 两个两个态上，这是其波粒二象性的结果。态上，这是其波粒二象性的结果。01121201,CCC C为任意复数22121()CC叠加态注：psi psai 普西 2022-12-1 信息一旦量子化,量子力学的特性便成为

10、量子信息的物理基础,这主要有量子纠缠、量子不可克隆、量子叠加性和相干性。因为量子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精确的复制,量子不可克隆定理和Heisenberg 测不准原理构成了量子密码学的物理基础。一点说明一点说明2022-12-1量子不可克隆定理量子不可克隆定理 Wootters 和 Zurek 曾于1982 年在自然杂志上撰文提出了如下问题:是否存在一种物理过程,实现对一个未知量子态的精确复制,使得每个复制态与初始量子态完全相同呢？Wootters 和 Zurek 证明,量子力学的线性特性禁止这样的复制,这就是量子不可复制定理的最初表述。2022-12-1Heisenberg 的测不

11、准原理的测不准原理 由测不准原理可知,对任何一个物理量的测量都不可避免地对另一物理量产生干扰。这就使得通信双方能够检测到信息是否被窃听,这一性质使通信双方无须事先交换密钥即可进行绝密通信。量子加密学为人们提供了一种无条件安全的希望，并且不象一次一密的密钥,任何窃听量子密钥交换和拷贝密钥的人不可能不被检测到。2022-12-1信息传输：量子态在量子通道中传送信息传输：量子态在量子通道中传送信息处理信息处理(计算计算)：量子态幺正演化：量子态幺正演化信息提取：量子测量信息提取：量子测量 如，经典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的如，经典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的（量子不可克隆定理）。（

12、量子不可克隆定理）。两经典粒子分离后就不关联，而两量子粒子处于纠两经典粒子分离后就不关联，而两量子粒子处于纠缠态（缠态（EPR粒子）时不论空间分离多开仍然存在量子关粒子）时不论空间分离多开仍然存在量子关联，对其中一个粒子施行作用必然会影响另一个粒子的联，对其中一个粒子施行作用必然会影响另一个粒子的状态。状态。理解：微观世界的物质具有波粒二象性，于时刻理解：微观世界的物质具有波粒二象性，于时刻t在全空间找到粒子的总几率等于在全空间找到粒子的总几率等于1幺正性：幺正性：微观粒子散射过程和反应过程中几率守恒的一种数学表述。微观粒子散射过程和反应过程中几率守恒的一种数学表述。（即全空间中找到粒子的几率

13、为（即全空间中找到粒子的几率为1）量子通信量子通信2022-12-1纠缠 现在有两个光子，A光子可以有两种状态，一个极化方向向上，一个极化方向向下。同样B光子也有向上和向下的极化方向。在数学上，A的向上乘上B的向下，减掉A的向下，乘上B的向上，除以根号2。这个状态一般叫做两个光子纠缠不清的状态。纠缠态纠缠态1,2ABABA B 2022-12-1假如我知道A光子的偏振方向是向上的，所以A光子向下的状态一定是等于0的，则B光子的偏振方向一定是向下的。反过来也是一样。而这种纠缠关系，A光子跟B光子可以离的很远很远。举一个例子，把A光子放在地球上，B光子放在人造卫星上，A光子极化是向上的，不用跑到人

14、造卫星上，一定知道B光子是向下的。2022-12-1“隐形传送”定义定义 所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。从物理学角度，人们可以这样地想象量子隐形传送的过程：先提取原物的所有信息（量子态），然后将这个信息（量子态）传送到接收地点，接收者依据这些信息（量子态），选取与构成原物完全相同的基本单元（如原子），制造出原物完美的复制品。2022-12-1“隐形传送”原理原理 其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。接收者在获得这两种信息之后

15、，就可制造出原物量子态的完全复制品。这个这个过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子（甚至可以是与原物不相同的粒子）处于原物的量子态上。2022-12-1Can the Hot Tub Time Machine work？From The Big Bang Theorys season 12022-12-1量子传输量子传输（Quantum Teleportation）1993年美国年美国IBM的著名科学家的著名科学家Bennet等四个国家的六位科学家联名在等四个国家的六位科学家联名在

16、Physical Review Letters上发表了一篇开创性论文：上发表了一篇开创性论文：“经由经典和经由经典和EPR通通道传送未知量子态道传送未知量子态”，提出了提出了“量子态隐形传输量子态隐形传输”的方案的方案,即位将原粒子物理特即位将原粒子物理特性的信息发向远处的另一个粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子性的信息发向远处的另一个粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。而在此过程中，传输的是原粒子的量子态，而不是原粒子本身。传的复制品。而在此过程中，传输的是原粒子的量子态，而不是原粒子本身。传输结束后，原粒子已经不具备原来的量子态，而有了新的量子态。输结束后，原粒

17、子已经不具备原来的量子态，而有了新的量子态。2022-12-1量子隐形传态 量子隐形传态就是指将甲地的某一粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上构建出来.由于量子力学的不确定性原理,我们不能精确地将原量子态的所有信息全部提取出来,只能将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分,它们分别由经典通道和量子通道传送到乙地,根据这些信息,在乙地就能够利用相应的幺正变换构造出原量子态的全貌.2022-12-1Teleportation public communicationEPRSource粒子2粒子3secure channelBob粒子1AliceAlice拥有一个粒子1处于未知态，其可以表示为

18、粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子2,Bob拥有粒子3.2211 （）,表示要送的量子信息和123231122022-12-1Teleportation public communicationEPRSource粒子2粒子3secure channelBob粒子1Alice粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子2,Bob拥有粒子3.这个EPR对与粒子1构成的量子体系的复合波函数可以表示成两个态的直积形式123123121212121 200 1212(和 是粒子1和粒子2所在的四维希尔伯特空间中的Bell基)2022-12-1Teleportation public com

19、municationEPRSource粒子2粒子3secure channelBob粒子1AliceAlice对粒子1和粒子2施行一个Bell基测量,粒子3的态将会坍塌为下面4个态中的其中一个,而且分别与Alice测量结果相对应.此时,粒子1的相关信息存储到粒子3上了.33331110abcd 2022-12-1Information Encoding and Decoding.0 1 1 0.RRRx Rx0 1 1 0.AliceBobEPR1:EPR2:Information:为了使量子隐形传态成功完成,Alice通过经典通道把测量结果告诉给Bob.最后Bob根据测量结果对粒子3做适当的

20、幺正变换，2231 （）此时Alice拥有的粒子1所处的未知态在Bob拥有的粒子3上完美的重现出来了,即量子隐形传态圆满成功了.333y3d,i,azbxc 将得到最终的态2022-12-1回顾一下 粒子1：粒子2，3：EPR对与粒子1构成的量子体系的复合波函数：12 32 31 12 123123121212121 200 一个Bell基测量后：33331110abcd 粒子3做适当的幺正变换：333y3d,i,azbxc 2211 （）,表示要送的量子信息和2022-12-1几点说明(1)从粒子1到粒子3量子信息的传递可以发生在任意的时空之间,因为量子纠缠具有非局域性.(2)联合测量后接收

21、方的粒子的量子态仍然处于混合态,也就是说,联合测量本身对Bob来说,并不给出任何关于原粒子态的信息.原粒子态的重建应该归功于EPR态的纠缠非局域关联,经典通讯和局域的幺正变换.(3)量子隐形传态不存在超光速通讯问题.因为没有通过经典通道传送的经典信息,隐形传态将不可能成功.而经典通道的通讯速度必然要受到相对性原理的限制,即传送速度不可能超过光速.2022-12-1(4)量子隐形传态不违背符合量子力学的不可克隆定理.因为Alice进行Bell基测量后,|1已被破坏掉了,一次量子隐形传态只能够使原粒子的量子态在另外的一个粒子上重新构建出来.(5)发送者和接收者在整个传输过程中都不需要知道他们所传输

22、的或者接收的量子态的任何信息,因而量子隐形传态提供了操控量子态而不破坏量子态的可能性.2022-12-1 小结小结 量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信量子保密通信。2022-12-1现有的密码体系是绝对安全的吗？密钥的安全性是核心问题。密钥的安全性是核心问题。所谓所谓“绝对安全绝对安全”是指能经受物理定律所允许的攻击是指能经受物理定律所允许的攻击而不被破译。而不被破译。明文明文明文明文加密加密变换变换解密解密变换变换密钥密钥K密钥密钥K密文密文密文密文公开

23、信道公开信道KK1量子密码量子密码2022-12-1 量子密码通信量子密码通信是目前唯一被证明是目前唯一被证明绝对安全的保密通绝对安全的保密通信方法信方法,美国美国商业商业周刊周刊把它列在了把它列在了改变人们未来生活改变人们未来生活的十大发明的第三的十大发明的第三位。位。2022-12-1量子密码量子密码 在普朗克提出的量子理论中，量子的不可复制性是一项基本定律。如果一枚旋转着的硬币是量子世界中一个物体，一旦你要复制它，势必要对它进行测量，这种外来的行为就会改变它的运动状态。也就是说，任意量子的状态，在受到复制或测量时，都会发生变化。换个角度说，量子一旦被测量过，就不再是原来的那个量子了。所以

24、，利用量子的这一特性制作的密码，从理论上讲是一种最为安全的密码。2022-12-1量子密码学 采用量子态采用量子态(量子比特量子比特)作为信息载体，经由量子作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥(经典随经典随机数机数)，这个密钥是安全的，任何窃听都会被发现。，这个密钥是安全的，任何窃听都会被发现。其安全性由其安全性由量子力学原理量子力学原理所保证：所保证：窃听者若企图通过对量子态的测量来窃窃听者若企图通过对量子态的测量来窃取信息，则必然会干扰这个量子态本身，取信息，则必然会干扰这个量子态本身，从而会留下痕迹而被合法用户发现。从而会留下

25、痕迹而被合法用户发现。窃听者若企图通过复制传送密钥的量子窃听者若企图通过复制传送密钥的量子态来获得信息，此时量子不可克隆定理态来获得信息，此时量子不可克隆定理确保这种复制不可能成功。确保这种复制不可能成功。量子密钥分配与经典密钥分配最本质的区别在于前者是运用量子态来表征随机数0,1(经典比特),而现有密钥分配是运用物理量来表征比特0,1的,如有无电荷等.若采用光脉冲来传送比特,在经典信息中,光脉冲有光子代表1,无光子代表0,但在量子信息中则是采用单个光子的量子态,如偏振态来表征比特的,如圆偏光代表1,线偏光代表0,亦即每个光脉冲最多只能有一个光子,这个光子所处的不同量子态表明它携带不同比特信息.区别区别2022-12-1 结语量子通信与量子计算机是一个综合学科，它已大大超出了电子学与经典信息论的范畴，需要物理学、量子力学等基础学科的研究合作，才能推动它的不断成熟。量子通信、量子计算机必然走向成熟，到那时，电子信息技术又将进入一个崭新的时代量子信息的实现已不存在不可逾越的障碍，但在技术上实现却面临严重困难，原因是人类迄今尚未掌握制备、保持和操控宏观尺度的量子客体的有效办法，这显然是对人类智慧和能力的又一次挑战，正是这种挑战刺激着科学家巨大的研究热情。