量子通信簡介課件培訓(xùn)講學(xué)

1、量子通信簡介課件 通信的方式： 古代的烽火臺、擊鼓、驛站快馬接力、信鴿、旗語等，現(xiàn)代的電信等。 古代的通信對遠距離來說，最快也要幾天的時間，而現(xiàn)代通信以電信方式，如電報，電話，快信，短信，E-MAIL等，實現(xiàn)了即時通信。可是，僅僅有這些是遠遠可是，僅僅有這些是遠遠不能滿足需要的不能滿足需要的先來看一個密碼攻防戰(zhàn)中的典型范例:第二次世界大戰(zhàn)中，波蘭人和英國人成功破譯了德國著名的“恩格瑪”密碼，因此，盟軍提前得知了德國的許多重大軍事行動；美軍破譯日本的高級密碼“紫密”，從而擊斃了日本海軍大將山本五十六，扭轉(zhuǎn)了美軍太平洋戰(zhàn)場的被動局面。保密通信的原理在于，唯有掌握密鑰的人可以輕易重現(xiàn)傳遞的信息。信息

2、的安全性主要依賴于密鑰的秘密性。而密鑰，就像兩人通信的暗號，雙方預(yù)先設(shè)定協(xié)議，即便外人知道暗號的形式，卻不知道它代表的含義，正所謂“天知、地知，你知，我知”。然而，“道高一尺，魔高一丈?！蓖用苷咴O(shè)計出一種密碼，解密者很快就找到破譯的方法。當(dāng)憑借智慧解密已“無藥可施”時，利用窮舉法進行“蠻力攻擊”的電子計算機又登上了解密的主戰(zhàn)場。為對抗功能強大的聯(lián)網(wǎng)計算機，RSA等公鑰密碼奮力反擊。著名的RSA公鑰系統(tǒng)由Rivet、Shamir和Adleman3人提出，它是目前銀行、網(wǎng)絡(luò)等廣泛使用的公開密鑰體制。它的安全性就基于大數(shù)因子分解，因為對于經(jīng)典計算機，后者不存在有效的多項式算法。這下，似乎“萬事大

3、吉”，保密安全了。但是，20世紀(jì)90年代，著名數(shù)學(xué)家Shor又對傳統(tǒng)密碼學(xué)進行了一次徹底顛覆。他提出量子并行定法，并證明量子計算可以攻破目前廣泛使用的公鑰RSA體系。也就是說，為了對一個400位的阿拉伯?dāng)?shù)字進行因子分解，目前最快的超級電子計算機將耗時上百億年，所以相對來講，公鑰體系是安全的。可是，一旦出現(xiàn)具有相同時鐘脈沖速度的量子計算機，只需大約1分鐘便可計算完畢。下面開始討論正題，一些實際的問題：n Point 1如果量子計算機是利劍長矛，那量子密碼技術(shù)就是抵御它的一面盾牌.量子密碼提供了一種不可竊聽、不可破譯的新一代密碼技術(shù)。 因為，若從經(jīng)典物理的范疇，密鑰本身被非法用戶復(fù)制，可以“神不知

4、，鬼不覺”，不被人發(fā)現(xiàn)；密鑰在傳遞時被他人竊聽，合法用戶也無法識破。但是，量子密碼卻能確保保密通信的“萬無一失”。n Point 2量子力學(xué)中的海森伯不可確定性原理和不可克隆定理說明,量子世界中的任何事件都是不可能被竊聽的.只要竊聽,就會留下痕跡.正是這些基本原理確保了量子密鑰分配的安全性。具體來講，單個粒子的量子態(tài)偏振或相位等，可以用來編碼、儲存和傳輸信息，如果有一個竊密者想要竊取這些信息，就會在截獲粒子的一瞬間改變其量子態(tài)，使信息失真，達不到竊密的目的，同時使儲存、傳輸信息的人立即發(fā)覺被竊密。 隨著量子力學(xué)理論的提出和逐步完善，1993年，C.H.Bennett 提出了量子通信的概念。 所

5、謂“量子通信量子通信”，是指利用量子糾纏量子糾纏（quantum entanglement）效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。 量子通訊是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。目前量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等，近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?，并向?qū)嵱没l(fā)展。量子糾纏量子糾纏又譯量子纏結(jié)，是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，其定義上描述復(fù)合系統(tǒng)（具有兩個以上的成員系統(tǒng)）之一類特殊的量子態(tài)，此量子態(tài)無法分解為成員系統(tǒng)各自量子態(tài)之張量積（tensor product）。具有量子糾纏現(xiàn)象的成員系統(tǒng)們，在此拿兩顆以相反方向、同樣速率等速運動之電子為例

6、，即使一顆行至太陽邊，一顆行至冥王星，如此遙遠的距離下，它們?nèi)员Ｓ刑貏e的關(guān)聯(lián)性（correlation）；亦即當(dāng)其中一顆被操作（例如量子測量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。如此現(xiàn)象導(dǎo)致了“鬼魅似的遠距作用”（spooky action-at-a-distance）之猜疑，仿佛兩顆電子擁有超光速的秘密通信一般，似與狹義相對論中所謂的局域性（locality）相違背。這也是當(dāng)初阿爾伯特愛因斯坦與同僚玻理斯波多斯基、納森羅森于1935年提出以其姓氏字首為名的愛波羅悖論（EPR paradox）來質(zhì)疑量子力學(xué)完備性之緣由。 量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量

7、裝置。 按其所傳輸?shù)男畔⑹墙?jīng)典還是量子而分為兩類： 前者主要用于量子密鑰的傳輸 后者則可用于量子隱形傳送和量子糾纏的分發(fā)。（所謂隱形傳送指的是脫離實物的一種“完全”的信息傳送）量子密鑰： 原理：在普朗克提出的量子理論中，量子的不可復(fù)制性是一項基本定律。如果一枚旋轉(zhuǎn)著的硬幣是量子世界中一個物體，一旦你要復(fù)制它，勢必要對它進行測量，這種外來的行為就會改變它的運動狀態(tài)。也就是說，任意量子的狀態(tài)，在受到復(fù)制或測量時，都會發(fā)生變化。換個角度說，量子一旦被測量過，就不再是原來的那個量子了。所以，利用量子的這一特性制作的密碼，從理論上講是一種最為安全的密碼。一個量子物質(zhì)的傳送過程就像光在光纖里傳輸過程一樣，

8、如果一個偷聽者想在某一個地方偷聽信息，或者將該信息內(nèi)容復(fù)制下來，這就是一種測量行為，這種測量對量子體系來說意味著對整個體系的破壞，其結(jié)果是被測量的信息將全部消失量子密鑰： 制作方法： 一 利用單光子極化編碼： 把隨機信息賦予單光子的極化，根據(jù)量子 不可克隆定理，使用經(jīng)典通信的方法可以保證絕對的防止竊聽。但在實際應(yīng)用中，因為噪聲的存在和環(huán)境對光子的吸收，導(dǎo)致光子數(shù)呈指數(shù)衰減，所以遠程通信勢必要求高亮度的單光子源，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下是不現(xiàn)實的。 二 利用糾纏源來做密鑰分配： 根據(jù)量子糾纏的特性，竊聽者利用局域操作無法得到任何信息，并且，產(chǎn)生密鑰的雙方可以通過測量貝爾(Bell)不等式的方法來判斷是

9、否存在竊聽。在理論上，這種方法也是絕對安全的。而且這種利用糾纏對的量子密鑰分配方法在遠程通信過程中可以設(shè)立很多中繼站，利用糾纏交換的方法，可以讓光子衰減變成線性衰減，這樣就可以克服單光子密鑰分配的缺點。 左圖為中國科大研究人員提出一種具有非常好的單向傳輸穩(wěn)定性的量子密鑰分配實驗方案。該保密通信系統(tǒng)實現(xiàn)了單向長期穩(wěn)定的量子密鑰分配。解決了國際上一直未解決的長期穩(wěn)定性和安全性的統(tǒng)一問題，解決了量子密碼技術(shù)由實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要難題，使我國量子保密通信在國家信息安全中的應(yīng)用邁出了關(guān)鍵的一步。量子隱形傳送： 量子隱形傳送與量子遠程通信密切相關(guān)?！皌eleportation”一詞是指一種無影無蹤的傳

10、送過程。從物理學(xué)角度，可以這樣來想象隱形傳送的過程：先提取原物的所有信息，然后將這些信息傳送到接收地點，接收者依據(jù)這些信息，選取與構(gòu)成原物完全相同的基本單元（如：原子），制造出原物完美的復(fù)制品。遺憾的是，量子力學(xué)的不確定性原理不允許精確地提取原物的全部信息，這個復(fù)制品不可能是完美的。因此長期以來，隱形傳物只不過是種幻想而已。量子隱形傳送： 1993年美國物理學(xué)家貝尼特等人提出了量子隱形傳送的方案：將某個粒子的未知量子態(tài)（即未知量子比特）傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到這個量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處。其基本思想是：將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道

11、傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測量中未提取的其余信息。接收者在獲得這兩種信息之后，就可制造出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。這個過程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對這個量子態(tài)一無所知，而接收者是將別的粒子（甚至可以是與原物不相同的粒子）處于原物的量子態(tài)上。原物的量子態(tài)在此過程中已遭破壞。量子隱形傳送 1997年年底奧地利的一個研究小組首先在實驗上演示成功了量子隱形傳送，論文發(fā)表在自然上，引起國際學(xué)術(shù)界的極大興趣。此后，有若干研究小組也相繼在實驗上實現(xiàn)了量子隱形傳送。 量子隱形傳送所傳輸?shù)氖橇孔有畔?，它是量子通信最基本的過程。人們基于這個過程提出了實現(xiàn)量子因特網(wǎng)的構(gòu)想。量子因特網(wǎng)是用量子通道來聯(lián)絡(luò)許多量子處理器，它可以同時實現(xiàn)量子信息的傳輸和處理。相比于現(xiàn)在經(jīng)典因特網(wǎng)，量子因特網(wǎng)具有安全保密特性，可實現(xiàn)多端的分布計算，有效地降低通信復(fù)雜度等一系列優(yōu)點。量子通信現(xiàn)狀：去年，一個由奧地利、英國、德國研究人員組成的小組在量子通信研究中創(chuàng)下了通信距離達公里的