安全有效的量子通信技术的探讨毕业论文.doc

安全有效的量子通信技术的探讨 摘要：针对目前通信中存在的速度、容量、安全、传输距离等问题,在阐述量子通信的基本原理、工作过程的基础上，首先探讨了国内外现状和发展趋势，其次讨论了量子通信应用前景和发展，最后对其存在的问题和困难进行了探讨。关键字：量子寄存器 ；通信安全； 量子通信；纠缠态；量子通道一、 引言随着科技的快速发展，相继出现的固定电话、移动电话、互联网等多种通信方式，提高了人们的工作效率，改变了人类的生活方式。然而随着人类社会的发展，现有的通信技术已经不能满足需求，对通信技术的发展提出了新的要求，其存在的不安全因素有：1 、信息在传输过程中可能被他人截获，造成数据丢失。2 、用户发送的信息在传播时可能被非法篡改，使得数据的完整性被破坏。3 、信息在传输时可能被他人窃听，造成数据泄露。4 、用户发送的信息在传播时可能被伪造，使得数据的正确性被破坏。通信中存在的不安全因素、传输距离、通信速度、通信容量都制约着通信技术的发展。量子通信技术是近年来出现的一门新兴技术，它以量子状态的不可复制性与不确定性为基础的量子加密技术是量子通信的基础。然而目前对量子通信技术的研究大多还停留在概念上，许多关键技术还没有形成统一的认识，本文对其应用前景和发展、存在问题和困难进行了讨论。二、技术原理与工作过程在经典运算中，运算的基本单元是比特（bit），它的基本状态是二值布尔逻辑状态（0或1），在量子运算中，运算的基本单元是量子比特（或），它的基本状态是两种状态的叠加。在经典计算机中，可以表示07共8个数，并且在某一时刻，只能表示某一个数：000 001 010 011 100 101 110 111假如有一个由三个比特构成的寄存器(存储一系列量子比特的体系)，若此寄存器器是由量子比特构成 ，每个量子比特可以处于或 或与的叠加态，既在某时刻一个量子存储器可以表示8个数 ：图1 量子通信系统如图1所示，量子通信系统是指将量子寄存器、量子通道按照约定的协议，进行信息交换和通信：量子寄存器A、B、C、D存储量子信息，处理有关的量子信息；量子通道可以实现量子信息的传递。量子通信的关键技术是量子不可克隆定律：不存在任何的物理过程可以精确的复制未知量子态，其实质是测不准原理，即测量任何一个量子态的所有状态是不可能的，测量同时意味着这个量子态的破坏。若时间坐标一定，则坐标的不确定度最大，同样若坐标一定，则时间的不确定度最大。令，从图3中我们可以看到，坐标与时间不可能同时确定。图2 海森堡测不准原理的图形描述 两体双态系统密度矩阵的展开式7： （3）在量子通信技术中，假定原子1处于，原子2处于，这两个粒子的叠加态就处于纠缠态：并不知道那个原子处于，那个原子处于，处于纠缠态的双粒子体系中，一个粒子粒子3粒子2Allice经典通信道Bob图3 Bennett纠缠态的远程通信安全传输方安案的自旋总是与另一个粒子的自旋方向相反，大小相等。即使两个粒子离开很远距离，这个“整体性”回保持，实验者测量其中一个粒子的自旋，则另一个粒子的自旋不用测量也可以知道，这就是量子通信的超距性。让这纠缠态粒子处于“类空间间隔”（不可能用光信号相联系的空间），则这个“整体性”可以用来传送“超光速信号”，但是信号并不等于信息，如果接受的信号不能被接受者理解，那么信号就是一个迷，目前量子远程通信就是解决这个问题。奥地利的Zeilinger研究组和意大利的一个研究组分别在实验上利用孪生光子对的偏振纠缠态成功的实现了一个光子的远程传送6,基于上述原理提出了一个利用纠缠态来远程传送量子态信息的方案如图3所示：设想Allice和Bob已经实现了量子信息的远程传送，还需要借助经典信道传输信息，这也并不违背爱因斯坦的狭义相对论。Bob测得粒子3的自旋态，待传送的自旋态是经过某种幺正变换的结果，究竟是哪一个幺正变换，只能由Allice通过经典信道告诉Bob，在上述量子态的传输过程中，由于粒子1与粒子2发生了纠缠效应，原来粒子1的自旋态已经被破坏，这正是量子态不可复制的一种表现，也是未来通信安全的核心技术。三、国内外现状和发展趋势1、1997年奥地利Zeilinger等人成功的实现了一个光子的远程传输，中国科技大学在国际上首次解决了量子密钥分配工程中的稳定性问题，利用该方案，实现了最长距离的实用光纤密码系统。2、2004年六月4日，第一个量子密码通信网络在美国正式投入运行，该网络主要通过普通光纤来传输量子密码术加密的数据，与现有的因特网技术完全兼容，网络传输距离约为十公里。2003年11月24日，日本量子信息通信研究研究推进会计划在2020年至2030年间，建成绝对安全保密的高速量子信息通信网。2007年，英德研究小组在量子通信研究中创下了通信距离的最远记录。3、2009年九月，潘建伟的科研队在3节点链状光量子电话网的基础上，建成了世界上第一个量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信。2008年意大利与奥地利科学家在新物理学宣布，他们首次识别从地球上空1500公里处的人造卫星上反射回地球上的单拟光子，实现了太空绝密传输量子信息的重大突破，这一突破表明在太空和地球之间可以建立安全的量子通道来传输信息，用于全球通信。 四、量子通信应用前景和发展、存在问题和困难1 、量子通信应用前景和发展待添加的隐藏文字内容3（1）量子计算机 对N个量子存储器实行一次操作，其效果相当于对经典存储器进行2N次操作，这就是量子计算机的巨大并行运算能力。采用合适的量子算法，由于其速度快、功耗低、存储能力大、计算能力强、保密性好以及其他奇特的性能，这个能力可以提高计算机的运算速度。（2）远程通信 处于纠缠的两个粒子，无论其距离有多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的状态。即两个粒子间不论相距多远，从根本上讲他们是相互联系的。对一个进行测量必将使另一个产生关联的塌缩，量子信息的非定域的、超光速的传递可以很容易实现远程通信。2、存在问题和困难（1）量子隐形量子态并没有带来超光速通信，因为完成隐形量子态必须通过经典通道传递测量结果，没有经典信道，隐形量子根本不传送任何信息。而经典信息传递的最大速度不超过光速。（2）目前，阻碍量子密码术走向实用的技术问题主要是制造出工作在所需波长上的高效的单光子检测器比较困难，而这对基于光子的量子密码术的实现则是很关键的。因 为为了防止窃听者通过一个半镀银镜之类的装置来窃听传送量子信息的光束，即窃听者将每一个闪光分解成两个强度较低的闪光，然后读取一个闪光而让另一个闪光 继续通过送至接收方，在此过程中闪光的偏振状态未受干扰。如果窃听者仅移走该光束中的适当部分，则接收方可能就察觉不到信号正在减弱。因此，必须以减少量 子信道数据传送的速率为代价，让发送方发送极其微弱的闪光：平均而言其强度为每个闪光小于一个光子，以有效地挫败这种窃听。所以，在量子密码术中必须采用 高效的光子检测器，以减少系统自身错误。（3）量子密码系统即使没有窃听者窃听的情况下，由于系统自身的不稳定性也会造成一定的长期误码率使通信的质量受到影响，其中所需要的单光子探测器还未成熟。六、 结束语 随着科学技术的快速发展，通信范围已经超过了人类视野的范围，因此对及时、有效、安全、不失真的通信技术提出了新的要求，量子通信技术正是研究这类问题解决方案的核心，量子编码技术是未来网络安全通信的保障，量子通信技术还有望实现深海通信、深空通信、隧道通信，起具有广泛的应用前景。 参考文献1 斯诺登称美入侵中国网络多年N.京华时报,2013-06-14.2 古丽坪.安全有效的量子通信及其发展J.科学之友,2010-07-04.3 吴沅.数字签证与光量子密码通信J.移动通信,2010-07-15.4 刘行.关于四川省一般网路安全时间的通报J.通信与信息技术，2012.5 张永德.高等量子力学M.北京:科学出版社，2000.6 C.H.Benntt.et al, Phys.Rev.Lett.19937 刘义铭.量子通信的特色与局限性分析J.信息安全与通信保密，2011.