量子通信查看源代码讨论查看历史
量子信息是以量子力学基本原理为基础，把量子系统「状态」所带有的物理资讯，进行计算、编码和信息传输的全新信息方式[1]。
量子资讯最常见的单位是为量子位元（qubit）——也就是一个只有两个状态的量子系统。然而不同於古典数位状态（其为离散），一个二状态量子系统实际上可以在任何时间为两个状态的叠加态，这两状态也可以是本徵态。
世界第一
中国一些研究人员利用中国发射的首颗量子通信卫星墨子号成功传输信息，打破传输信息的最远纪录，在量子通信领域拿下两个世界第一。
中国凭借2017年8月9日在《自然》周刊上发表的两项成果确保了在量子通信这一未来通信技术领域的至上地位。该技术主要可以提升通信过程中的安全性。中国从“墨子号”的投资中获得了回报。这枚科研卫星于2016年8月16日发射，在距离地球500公里至1200公里处的低轨运行。再加上《科学》周刊2017年6月16日发表的成果，中国科学技术大学潘建伟带领的团队完成了三大实验：量子隐形传态、量子纠缠分发和量子密钥分发。此前这些实验仅在地面的光导纤维中完成过。
据法国《世界报》8月15日报道，加拿大研究人员1984年提出了一份保障安全分发密钥的协议，不仅是为了禁止窃听，也是为了确保如果出现窃听当事人能够获悉。中国人将这份协议应用于卫星与地球之间，最短距离(600公里)实现每秒发送数千比特的信息量。巴黎电信技术学院科研教师罗曼·阿洛姆称赞道：“他们解决了大量技术难题。这是工程学的一个大项目。”中国团队面临的挑战包括复杂光电器件的小型化及其对太空环境的适应保证，而且尤其是十分精确的卫星定位和追踪技术的发展。潘建伟指出：“这就像在300米之外追踪一根移动的头发一样。”
报道称，这些进步的技术意义超过了科学意义，因为这些成就此前都在地球上实现过。20世纪80年代初，法国科学家阿兰·阿斯佩完成了“量子纠缠”实验。1989年，加拿大完成首次量子密钥分发。此后很多企业将这种系统商业化。1997年，奥地利安东·蔡林格团队率先完成量子隐形传态实验，当时年轻的潘建伟也是团队成员之一。
欧洲最大量子信息实验室之一量子技术研究中心主任罗纳德·汉松认为：“真是了不起的进展。中国的实验开启了一个新时代。他们完成了首批地空基础量子任务。将遥远的系统通过量子连接起来已经成为现实。”
报道称，长距离传输必须通过太空，因为光导纤维中信号受损导致纠缠与隐形传态被限制在100多公里的距离内才能完成。而且与常规世界相反，在量子物理学中不可能增强或者重复一个信号。因此人们关注宇宙真空环境，即便考虑到大气层的厚度，这里的损耗也要小得多。但成本这么高的网络又有什么用呢？更加安全的密钥当然是个动机，但当前“经典”技术还在发挥作用，而且带有非保密密钥协议。
巴黎第六大学国家科学研究中心研究负责人埃莱妮·迪亚曼蒂明确指出：“当前的量子计算工作让这些系统面临危险，量子密钥是一种解决方案。”研究人员还希望建设有新性能的“量子网络”，能够将计算分发到多个网络节点上完成，而无需节点接触数据。
报道称，中国并不是唯一一个了解这些关乎国家防御和主权的重大挑战。韩国、日本、新加坡和加拿大也有陆地和太空计划，或者是从无人机、热气球和飞机实施的空中计划。在欧洲、研究人员争取人们对发展这些太空技术的关注，却是徒劳。埃莱妮·迪亚曼蒂希望：“这些结果或将刺激欧洲的科研活动。”
报道称，潘建伟现在希望提高密钥系统的效率，把卫星作为两个地面站的中继站来实现安全加密。中国研究者们还提到与欧洲合作完成两大洲之间密钥分发的可能性。
研究成果
1984年，美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的BrAssard共同提出了第一个量子密码通信方案，即著名的BB84方案，标志着量子通信领域的诞生。当他们的论文第一次发表在一个会议上时，并没有引起广泛的关注。1992年，Bennett提出了简化的BB84方案（称为B92方案），并第一次在实验上原理性演示了量子密钥分发。此后，量子密码分配开始得到各方的重视。
从1993年到2005年这个阶段，实验技术发展迅猛。1995年，中国科学院物理研究所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。2000年，该小组又与中国科学院研究生院合作利用单模光纤完成了1.1公里的量子密钥分发演示实验。2002年至2003年间，瑞士日内瓦大学Gisin小组和中国华东师范大学曾和平小组分别在67公里和50公里光纤中演示了量子密钥分发。2004年，英国剑桥Shields小组和日本NEC公司分别实现了122公里和150公里的光纤量子密钥分发演示性实验。2005年，中国科学技术大学郭光灿小组在北京和天津之间也实现了125公里光纤的量子密钥分发演示性实验。
到2005年时，国际上已经有三个实验小组声称可以将通信距离达到100公里以上。但随着理论研究上的进一步深入，却表明由于当时普遍使用弱相干光源模拟理论方案中的单光子源，当时所有的量子通信实验实际仍存在安全隐患，使得当时的安全通信距离只有10公里量级，不具有实用价值。
2005年，华人科学家王向斌、罗开广、马雄峰和陈凯等共同提出了基于诱骗态的量子密钥分发实验方案，从理论上把安全通信距离大幅度提高到100公里以上。
2006年，中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里的光纤量子密钥分发实验。同时，美国Los Alamos国家实验室－美国国家标准局联合实验组和奥地利的Zeilinger教授领导的欧洲联合实验室也使用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里量子密钥分发。这三个实验同时发表在国际著名物理学期刊《物理评论快报》上，真正打开了量子通信技术应用的大门。至此，量子通信得以从实验室演示开始走向实用化和产业化。
2015年，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多自由度量子隐形传态”名列2015年度国际物理学领域的十项重大突破榜首。英国物理学会（Institute of Physics）新闻网站《物理世界》（Physics World）将其评为“年度突破”。在量子密钥分配方面，中国也取得260—300公里最大通信距离的好成绩。[2]
2016年，美国国家航空航天局相关研究人员使用城市光缆实现了远距离量子传输，其通过“暗光缆”在加拿大卡尔加里市将激光光子传送了3.7英里。这次实验使用的传输媒介是研究人员称之为“暗光缆”光纤。这是研究人员脱离实验室环境在真实环境中进行的量子传输实验，其超过3.7英里的传输距离是新的实验记录，标志着人类向建成量子互联网迈出了重要一步。这项研究的相应成果发表在《自然光子学》（Nature Photonics）杂志上，是美国国家航空航天局喷气推进实验室、加拿大卡尔加里大学以及美国科罗拉多州博尔德国家标准与技术研究所的合作项目。研究人员采用未经使用过的“暗光缆”进行量子传输，同时通过特别设计的光子传感器对传输光子进行检测。据悉，这是首次在现有的城市光缆中实验量子传输，也是首次在实际基础设施中实现长达3.7公里的光子传送。此前研究人员仅仅能够在实验室环境下实现这一距离的量子传送。
重大发现
1927年，海森堡发现在测量粒子动量和位置的时候会导致h/4π的误差（两者误差相乘）。测量时位置的误差越小，动量的误差就会变得相当大。而h/4π就是这个误差的下限（也就是说两者误差的乘积大于等于h/4π）。这一结论最终被称作不确定性原理。
1935年，阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森提出了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论，客观上揭示了量子纠缠现象。
1984年，查尔斯·贝内特（Charles Bennett）与吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）提出一种量子密码分发协议，后被称为BB84协议[3]。
1994年，数学家彼得·秀尔发现针对整数分解的秀尔演算法（Shor算法）。2001年，IBM使用NMR实做的量子计算机以及7个量子位元展示了秀尔演算法的实例，将15分解成3×5[4]。
相干特性
由于量子相干性，量子比特在测量过程中会表现出与经典情况完全不同的行为[5]。测量仪器与被测系统的相互作用会引起所谓的波包塌缩。这时相干性将被彻底破坏，即发生了所谓的量子退相干[6]。量子纠缠是多比特系统特有的量子性质。两个比特的量子系统不仅有经典系统中的4种不同的状态，并且可以处在非平凡的双粒子相干叠加态（量子纠缠态）上，这构成了量子通讯的物理基础[1]。
领域
量子通信
美国在2005年建成了DARPA量子网络[7][8]，连接美国BBN公司、哈佛大学和波士顿大学3个节点。中国在2008年研制了20km级的3方量子电话网络[9][10][11]。2009年构建了一个4节点全通型量子通信网络[12]，大大提高了安全通信的距离和密钥产生速率，同时保证了绝对安全性[13][14][15][16]。同年，“金融信息量子通信验证网”在北京正式开通，是世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。2014年中国远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，刷新世界纪录[17]。2016年8月16日，中国发射一颗量子科学实验卫星「墨子号」，连接地面光纤量子通信网络[18][19]，并力争在2030年建成20颗卫星规模的全通型量子通信网。
量子计算
量子计算机由包含有导线和基本量子门的量子线路构成，导线用于传递量子信息，量子门用于操作量子信息[20]。
2015年5月，IBM在量子运算上取得两项关键性突破，开发出四量子位原型电路（Four Quantum Bit Circuit），成为未来10年量子电脑基础。另外一项是，可以同时发现两项量子的错误型态，分别为Bit-Flip（位元翻转）与Phase-Flip（相位翻转），不同於过往在同一时间内只能找出一种错误型态，使量子电脑运作更为稳定。[21]2016年8月，美国马里兰大学学院市分校发明世界上第一台由5量子位元组成的可编程量子计算机[22][23]。
量子雷达
量子雷达属于一种新概念雷达，是将量子信息技术引入经典雷达探测领域，提升雷达的综合性能[24]。量子雷达具有探测距离远、可识别和分辨隐身平台及武器系统等突出特点，未来可进一步应用于导弹防御和空间探测，具有极其广阔的应用前景[25]。根据利用量子现象和光子发射机制的不同，量子雷达主要可以分为三个类别：一是量子雷达发射非纠缠的量子态电磁波；二是量子雷达发射纠缠的量子态电磁波；三是雷达发射经典态的电磁波[26]。2008年美国麻省理工学院的Lloyd教授首次提出了量子远程探测系统模型。2013年义大利的Lopaeva博士在实验室中达成量子雷达成像探测，证明其有实战价值的可能性[27]。中国首部基于单光子检测的量子雷达系统由中国电科14所研制，中国科学技术大学、 中国电科27所以及南京大学协作完成[28]。不过专家表示，量子雷达想要实现工程化可能还有比较漫长的路要走[29]。
量子博弈
量子博弈是Eisert等人在1999年提出的，游戏者可以利用量子规律摆脱所谓的囚徒困境[1]，防止某一玩家因背叛而获利[30]。
条目相关图片
参考来源
- ↑ 1.0 1.1 1.2 量子信息简介 (PDF). 中国科学院物理研究所. [2016-09-27].
- ↑ 六大卖方加班急推的量子通信究竟是什么鬼？, 新浪, 2015-12-13
- ↑ C. H. Bennett and G. Brassard. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing (PDF). In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, (纽约). 1984, 175: 8.
- ↑ Vandersypen, Lieven M. K.; Steffen, Matthias; Breyta, Gregory; Yannoni, Costantino S.; Sherwood, Mark H. & Chuang, Isaac L., Experimental realization of Shor's量子factoring algorithm using nuclear magnetic resonance, Nature, 2001, 414 (6866): 883–887, doi:10.1038/414883a.
- ↑ O'Connell, A. D.; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, R. C.; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D. & Wang, H. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature. 2010, 464 (7289): 697–703. Bibcode:2010Natur.464.697O. PMID 20237473. doi:10.1038/nature08967.
- ↑ Maximilian A. Schlosshauer. Decoherence And the Quantum-To-Classical Transition. Springer Science & Business Media. 1 January 2007. ISBN 978-3-540-35773-5.
- ↑ （英文）C. Elliott, “Building the quantum network”, New J. Phys. 4, 46 (2002).
- ↑ （英文）C. Elliott, A. Colvin, D. Pearson, O. Pikalo, J.Schlafer, and H. Yeh, Current status of the DARPA Quantum Network, Quantum Information and Computation III, E. J. Donkor, A. R. Pirich, and H. E. Brandt, eds, Proc. SPIE 5815, 138--149 (2005).
- ↑ T.-Y. Chen, H. Liang, Y. Liu, W.-Q. Cai, L. Ju, W.-Y. Liu, J. Wang, H. Yin, K. Chen, Z.-B. Chen, C.-Z. Peng, and J.-W. Pan, “Field test of a practical secure communication network with decoy-state quantum cryptography”, Opt. Exp. 17, 6540-6549 (2009). [1] 于2010年4月1日查阅
- ↑ China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)
- ↑ Quantum Phone Calls, Science 324, 568 (2009)
- ↑ 潘建伟科研团队。[2]于2010年4月1日查阅
- ↑ （英文）W.-Y. Hwang, “Quantum key distribution with high loss: toward global secure communication”, Phys. Rev. Lett. 91, 057901 (2003).
- ↑ （英文）X.-B. Wang, “Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography”, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
- ↑ （英文）H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, “Decoy state quantum key distribution”, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
- ↑ 世界首个全通型量子通信网络落户中科大。《科技日报》，存档副本. [2016-06-27]. （原始内容存档于2010-04-14）. 于2010年4月1日查阅
- ↑ 中国量子密钥分发安全距离创纪录
- ↑ 世界第一个量子卫星！中国7月首射掀起通讯新革命. ETtoday 新闻云. 2016年5月26日 [2016-06-27].
- ↑ 我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”. 2016-08-16 [2016-08-16].
- ↑ 郭光灿。量子信息概论
- ↑ [3]，iThome新闻，2015年5月1日
- ↑ 全球首台可编程量子计算机在美国诞生. 搜狐新闻. [2016-08-05].
- ↑ Debnath, S.; Linke, N. M.; Figgatt, C.; Landsman, K. A.; Wright, K.; Monroe, C. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature. 2016-08-04, 536: 63–66. doi:10.1038/nature18648 （英语）.
- ↑ 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 腾讯新闻. 观察者网. 2016-09-07 [2016-09-27].
- ↑ 张文. 中国量子雷达研发获突破 隐身战机“克星”将至. 中国新闻网. 解放军报. 2016年9月22日 [2016-09-27].
- ↑ 铁流. 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 观察者. 2016-09-07 [2016-09-27].
- ↑ 凤凰卫视-神秘量子雷达
- ↑ 贾婧. 中国研制成功首部量子雷达. 科学网. 科技日报. 2016-09-14 [2016-09-27].
- ↑ 专家：量子雷达还不成熟 对付F35要靠现有装备. 凤凰军事. 环球时报. 2016年9月25日 [2016-09-27].
- ↑ Simon C. Benjamin and Patrick M. Hayden, Multiplayer quantum games, Physical Review A, 13 August 2001, 64 (3): 030301, Bibcode:2001PhRvA.64c0301B, arXiv:quant-ph/0007038, doi:10.1103/PhysRevA.64.030301, arXiv:quant-ph/0007038