量子通信是什么?

  目前,量子通信尚无严格的定义。物理上,量子通信可以被理解为在物理极限下,利用量子效应实现的高性能通信。信息学上,我们则认为量子通信是利用量子力学的基本原理(如量子态不可克隆原理和量子态的测量塌缩性质等)或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属性,以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。
  量子通信是量子信息学的一个重要分支,是量子信息中研究较早的领域。量子通信具有绝对保密、通信容量大、传输速度快等优点,可以完成经典通信所不能完成的特殊任务。量子通信可以利用无法破译的秘钥系统,实现真正意义上的保密通信,因此量子通信成为当今世界关注的科技前沿。量子通信是以量子态作为信息元实现对信息的有效传送。它是继电话和光通信之后通信史上的又一次革命。
  量子通信的基本思想主要包括两部分:一为量子秘钥分配,二为量子态隐形传输。
  量子态隐形传输
  量子态隐形传输一直是学术界和公众的关注焦点。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;而量子通道是指可以保持量子态的量子特性的传输通道。(比如说,保偏光纤对于光子的量子偏振态而言就是一种量子通道。但在量子态隐形传输态中,量子通道的角色是由双方共享的量子纠缠态所担任的。)接收者在获得这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态,而不是原物本身。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处于原物的量子态上。
  当隐形传输的量子态是一个纠缠态的一部分时,隐形传输就变成了量子纠缠交换。利用纠缠交换,可以将两个原本毫无联系的粒子纠缠起来,在它们之间建立量子关联。
  隐形传态和纠缠交换可以把物体的量子信息在瞬间精确无误地传送到遥远的地方,这看起来很像科幻电影中的瞬时传送,或者电子游戏中的传送门之类的神奇功能。当然,在我们能够把生命完全分解成量子信息和经典信息,并建立足够多的纠缠资源之前,传送门还只是个美好的幻想。不过,隐形传态和纠缠交换并不仅仅是一个用来憧憬美好幻想的奇妙现象,利用它们可以实现超远距离的量子密钥分配,为全球范围的通信加上一把安全的“量子锁”。
  量子秘钥分配
  量子秘钥分配不是用于传送保密内容,而是在于建立和传输密码本,即在保密通信双方分配秘钥,俗称量子密码通信。
  1984年,美国的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84协议,即用量子比特作为信息载体,利用光的偏振特性对量子态进行编码,实现对秘钥的产生和安全分配。BB84协议被证明是迄今为止无人攻破的安全秘钥分配方式,量子测不准原理和量子不可克隆原理,保证了它的无条件安全性。
  通过量子秘钥分配可以对安全的通信密码加以建立,在一次一次的加密方式下,点对点方式的安全经典通信便得以实现。量子通信的安全性保障了密钥的安全性,从而保证加密后的信息是安全的。量子密钥分配还有一个好处——不需要大面积地改造现有的通信设备和线路。量子密钥分配突破了传统加密方法的束缚,以不可复制的量子状态作为密钥,具有理论上的“无条件安全性”。任何截获或测试量子密钥的操作,都会改变量子状态。这样,截获者得到的只是无意义的信息,而信息的合法接收者也可以从量子态的改变,知道密钥曾被截取过。最重要的是,与经典的公钥密码体系不同,即使实用的量子计算机出现甚至得到普及,量子密钥分配仍是安全的。

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