什么是量子通信

什么是量子通信

量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。

WT-1量子路由器与WT-2量子交换机

量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。目前量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。

量子通信系统

量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传送和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种"完全"的信息传送。

量子通信发展史

1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。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。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。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。

1997年，中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的"状态"，作为信息载体的光子本身并不被传输。量子通信--以实验驳倒爱因斯坦

在2008年8月14日出版的最新一期《自然》杂志上，瑞士的5位科学家公布了他们的这项最新研究成果。瑞士科学家表示，原子、电子以及宇宙空间其他所有的微观物质都可能会表现出异常奇怪的行为，其行为规律可能与我们日常生活中传统的科学规律完全背道而驰。比如，物体可以同时存在于两个或多个场所；可以同时以相反的方向旋转。这种现象也许只有通过量子物理学来解释。量子物理学认为，任何事物之间都可能存着某种特定的联系。发生于某一物体之上的事件，可能同时对其他物体也会产生影响。这种现象称为"量子纠缠"。不管物体之间的距离有多远，同样存在"量子纠缠"的关系。

爱因斯坦坚决反对"量子纠缠"理论，甚至将其戏称为"遥远的鬼魅行为"。根据量子力学理论的描述，两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能"感知"和影响对方的状态。几十年来，物理学家试图验证这种神奇特性是否真实，以及决定它的幕后原因。其实，我们可以运用形象化的说明来解释这种现象。被纠缠的物体释放出某种不明粒子或其他形式的高速信号，从而对其伙伴产生影响。此前，已有实验证实传统物理学领域中某种隐藏信号的存在，从而打消了人们对于这种隐藏信号的种种疑问。但是，仍然有一个奇怪的可能性没有得到证实，即这种未知信号的传输速率可能会比光速还要高。

为了证实这种可能性，瑞士科学家开始着手对一对相互纠缠的光子进行实验研究。首先，研究人员们将光子对拆散；然后，通过由瑞士电信公司提供的光纤向两个村庄接收站进行传送，接收站之间相距大约18公里。沿途光子会经过特殊设计的探测器，因此研究人员能够随时确定它们从出发到终点的"颜色"。最终，接收站证实每对相互纠缠的光子被分开传送到接收站后，两者之间仍然存在纠缠关系。通过对其中一个光子的分析，科学家可以预测另一光子的特征。在实验中，任何隐藏信号从此接收站传送到彼接收站，仅仅需要一百万兆分之一秒。这一传输速率保证了接收站能够准确地检测到光子。由此可以推测任何未知信号的传输速率至少是光速的10000倍。

而爱因斯坦不仅不接受"量子纠缠"的思想，并且还坚持认为不可能存在比光速还要快的信号，任何比光速快的"鬼魅似的远距作用"都是不可思议的。根据1905年出版的爱因斯坦的相对论，他认为没有物体的运动速度能够超过光速。爱因斯坦解释说，光速属于自然界的一个基本常数：对于空间内所有的观察者来说，光速都是一样的。同样是爱因斯坦的相对论解释说，当物体加速时，物体本身的质量增加，而加速需要能量。随着物体质量的增加，维持速度所需的能量也更多。当物体以接近光速运行时，爱因斯坦经过计算说，它的质量将达到无限大，所以要使得物体继续运行的能量也要无限大，而要超过这一极限是不可能的。

而科学家们从实验中得到的结论，既可以反驳爱因斯坦的"错误"观点，也可以用来解释同一事物同时出现在不同地点这一奇异现象。爱因斯坦都无法解释的奇怪行为，正是量子物理学和量子通信的魅力之处。

量子纠缠（quantum entanglement），又译量子缠结，是一种量子力学现象，其定义上描述复合系统（具有两个以上的成员系统）之一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积（tensor product）。

具有量子纠缠现象的成员系统们，在此拿两颗以相反方向、同样速率等速运动之电子为例，即使一颗行至太阳边，一颗行至冥王星，如此遥远的距离下，它们仍保有特别的关联性（correlation）；亦即当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。如此现象导致了 "鬼魅似的远距作用"（spooky action-at-a-distance）之猜疑，仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般，似与狭义相对论中所谓的局域性（locality）相违背。这也是当初阿尔伯特·爱因斯坦与同僚玻理斯·波多斯基、纳森·罗森于1935年提出以其姓氏字首为名的爱波罗悖论（EPR paradox）来质疑量子力学完备性之缘由。

量子纠缠的应用--量子信息学

1.量子通信-量子隐形传输

2.量子计算-量子计算机：量子计算在实现技术上有严重的挑战,实现这一问题要解决另外三个问题：一是量子算法 二是量子编码 三是实现量子计算的物理体系。

3.量子保密通讯-量子密码

目前，我国科学家潘建伟已经成功的制备了5粒子最大纠缠态，领先其它国家。