遠(yuǎn)距離量子通信.pdf

1、20世紀(jì)最主要的革命性科學(xué)成果包括：相對論、量子力學(xué)、信息論。從20世紀(jì)80年代開始，由量子力學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合誕生了一門嶄新的學(xué)科-量子信息學(xué)，主要包括量子通信和量子計算。由于其潛在的應(yīng)用價值和重大的科學(xué)意義，近些年來量子信息學(xué)引起了科學(xué)界和工程界極大的關(guān)注。 經(jīng)典計算機(jī)中信息處理的最基本單元是比特即二進(jìn)制數(shù)0或1，而由于量子力學(xué)的線性疊加原理使得量子計算機(jī)可以同時處理0和1的任意相干疊加態(tài)即qubit。這種并行處理極大地提高

2、了計算速度，可以把一些經(jīng)典計算中無法計算的NP問題即問題的復(fù)雜度隨著比特位數(shù)的增長而指數(shù)上升，變成P問題即問題的復(fù)雜度隨著比特位數(shù)的增長以多項式上升。1994年，Bell實驗室的Peter Shot證明量子計算機(jī)可以有效解決經(jīng)典計算機(jī)所不能解決的大數(shù)因子分解問題，而這恰恰是目前經(jīng)典密碼的安全性基礎(chǔ)。所以，Shor量子算法的發(fā)現(xiàn)使得當(dāng)前密碼系統(tǒng)毫無保密性可言，對軍事、政府、國家安全、金融等領(lǐng)域構(gòu)成了極大的威脅。 幸運(yùn)的是，量子信息

3、學(xué)同樣提供了一種安全的通信方式，通常稱之為“量子密碼”，或量子密鑰分發(fā)，量子力學(xué)基本定理之一的不可克隆定理保證了量子密碼的無條件安全性。1984年，IBM公司的Charles Bennett和加拿大Montréal大學(xué)的Gilles Brassard提出第一個量子密鑰分發(fā)協(xié)議-BB84協(xié)議并在1992年完成了第一個量子密碼實驗演示。此后，尤其是Shor算法提出以后，由于量子信息領(lǐng)域的重要性，各國政府及研究部門對此均十分重視，所以整個領(lǐng)域

4、理論和實驗方向均得到了高速的發(fā)展。而量子密碼作為量子通信的最重要的分支，已經(jīng)開始走向?qū)嵱没?，甚至已?jīng)有公司開發(fā)了量子密碼的商用產(chǎn)品。 除了量子密碼，量子通信的其他研究內(nèi)容有：單光子源、糾纏源、通信復(fù)雜性、量子態(tài)隱形傳輸、密集編碼、糾纏交換、糾纏純化、量子中繼器、糾纏同步、量子存儲、比特承諾、密鑰共享、多方通信、遠(yuǎn)程克隆等等。而在所有的量子信息研究中，量子糾纏作為核心資源扮演著極其重要的作用。量子糾纏的物理思想最初來自于1935年

5、Einstein等人對量子力學(xué)完備性的質(zhì)疑(EPR佯繆)。雖然到目前為止，量子糾纏的本質(zhì)還沒有徹底的弄清楚，但是這并不妨礙它的應(yīng)用。一方面，它可以用來檢驗量子力學(xué)的基本問題如Bell不等式等，進(jìn)一步認(rèn)識量子非定域性等經(jīng)典物理不可能產(chǎn)生的現(xiàn)象。另一方面，它可以應(yīng)用于量子信息研究。 一般地，量子通信的信源主要采用單光子源或糾纏源，而量子信道主要有自由空間信道和光纖信道。在本論文中，我們將主要討論遠(yuǎn)距離量子通信的實驗研究，包括超過13

6、 km自由空間糾纏分發(fā)、基于極化編碼的102 km誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)、一種無共享參考系的量子通信等。除此之外，我們還將介紹利用多光子糾纏降低多方通信中通信復(fù)雜性的實驗演示，以及利用兩光子高維糾纏態(tài)實驗驗證一種All-Versus-Nothing型的局域?qū)嵲谶`背。 由于當(dāng)前種種技術(shù)上的限制，光纖量子通信的最大距離受到限制，而要實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信，主要有兩種方案。第一種方案是量子中繼器方案，即把通信雙方的信道分成N段，在每一段分別產(chǎn)

7、生糾纏，通過糾纏交換使得在相鄰兩段問建立糾纏并通過糾纏純化的方法進(jìn)一步提高糾纏源的品質(zhì)，從而最終在遙遠(yuǎn)的通信雙方間建立糾纏，并可以用量子存儲的方法保存糾纏資源。第二種方案是自由空間方案，即通信方之一的Alice通過人造衛(wèi)星把單光子源或糾纏源分發(fā)至Bob，這種方案的最大優(yōu)點是可以實現(xiàn)任意兩點間的通信，也是全球化量子通信必不可少的手段。由于地面．衛(wèi)星之間的自由空間信道的衰減主要集中在地面大氣層，其等效厚度約為5 km，往返兩次的信道衰減等效

8、于地面大氣層的10 km。小組完成的13 km自由空間糾纏分發(fā)首次實驗驗證了地面．衛(wèi)星之間基于糾纏的量子通信的可行性，同時觀測了類空間隔條件下Bell不等式的破壞，說明了糾纏在長距離的范圍內(nèi)依然能夠保持。 在光纖量子通信中，由于光纖材料中存在的極化模式色散效應(yīng)以及傳輸信道環(huán)境的影響，從而使得極化qubit發(fā)生退相干不利于長距離光纖通信。2005年，加拿大Water100大學(xué)Laflaamme小組提出利用“時間標(biāo)記”的方法可以克服

9、信道中的極化模式集體旋轉(zhuǎn)噪聲。實驗上，我們實現(xiàn)了這種不需要共享參考系的量子通信方案，并分別在長距離光纖和短距離光纖情況下演示了這種方案的魯棒性。 長距離光纖量子通信中另一個重要的問題是單光子源，由于完美的單光子源目前技術(shù)上還無法實現(xiàn)，通常實驗上是采用弱相干脈沖光源。但這種光源在長距離光纖量子通信中存在著重大的安全性漏洞，竊聽者可以使用光子數(shù)分離攻擊獲得發(fā)送方的完全信息，使得雙方通信完全不安全。雖然在理論上存在著多種克服光子數(shù)分離