《量子通信》PPT课件.ppt

从波粒二象性到量子通讯,姓名：谢华学号：1007034138中北大学物理系,1.量子的起源与发展2.量子态纠缠发展过程3.从关联到量子态纠缠4.量子通信5.量子信息技术概述6.量子信息技术的世界前沿,内容提纲：,第一章 量子的起源与发展,一：从经典物理遇到的困难到量子假设二：波尔量子论三：德布罗意物质波假设四：薛定谔方程五：由薛定谔方程的线性性到量子叠加原理六：电子自旋,从经典物理的困难到量子提出,经典物理学的困难,力牛顿力学规律；电磁 麦克斯韦方程；光光的波动理论；热 统计物理；黑体辐射和光电效，黑体辐射和光电效应等现象使人们发现了 光的波粒二象性，才开辟了量子力学这门学科。,光的波粒二象性,光的波粒二象性：波动性和粒子性波动性：双缝衍射实验粒子性：黑体辐射和光电效应,黑体辐射公式：式中是黑体内频率在到之间的辐射能量密度，c是光k是波尔兹曼常数，T是黑体的绝对温度。,能量子假说：物质中的振子不能随便处于任意能量状态，它们只能处于某 这些能量的特点是具有“不连续”性，在放出或吸收这些能量时，电子将从这些状态之一“飞跃”到另一状态，这就是普朗克提出的能量子假说。,光量子假说：爱因斯坦提出,电磁辐射不仅在被发射和吸收时以能量为hv的微粒形式出现，而且以这种形式以速度c在空间运动。这种粒子叫作光量子或光子光电效应：如何解释光电效应？当光射到金属表面上时，能量为hv的光子被电子所吸收。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的引力，另一部分就是电子离开金属表面后的动能。这个能量关系可以写为：,光子波粒关系：,原子结构的波尔理论,波尔的量子化条件：在量子理论中，角动量必须是h的整数倍。玻尔的量子化理论：(1)电子只能沿着其中一组特殊的轨道运动。(2)电子沿这一特殊轨道运动，既不吸收能量，也不辐射能量即处于稳定状态，称为定态。(3)只有当电子由一定态跃迁到另一定态时，才能辐射或吸收能量即,索末菲的量子化条件：q 是电子的广义坐标，p是对应的广义动量，回路积分是沿运动轨道积一圈，n是正整数，称为量子数。,微粒的波粒二象性,德布罗意在光有波粒二象性的启示下，提出微观粒子也具有波粒二象性的假说。物质波假说：徳布罗意提出，不仅光子，所有的粒子在运动中都既表现有微粒的行为，也表现有波动的行为。此即为波动微粒两相性。其两相性由 和 联系起来，此式称为德布罗意关系，与粒子运动相联系的波称为物质波或徳布罗意波。,自由粒子的平面波公式：徳布罗意波长：徳布罗意假说的正确性，在1927年为戴维孙和革末所作的电子衍射实验所证实。,薛定谔方程,薛定谔方程是一个用于描述量子力学中波函数的运动方程当势函数 U(r,t)与时间t无关时，薛定谔方程的解就可以写成 式中(r)满足定态薛定谔方程,由薛定谔方程的线性性到态叠加原理,因为薛定谔方程是线性方程，所以如果1和2都是方程的解，那么，1和2的线性叠加=11+22 也是薛定谔方程的解，式中1、2是复数。这个结果的物理意义是：如果1和 2描述了粒子的可能状态，则它们的线性叠 加也描述了系统的可能状态。,2.反常塞曼效应,1.钠黄线的精细结构,钠原子光谱中的一条亮黄线=5893，用高分辨率的光谱仪观测，可以看到该谱线其实是由靠的很近的两条谱线组成。,在弱磁场中，一条原子光谱线分裂成偶数条谱线的现象。1912年反常塞曼效应，特别是氢原子的偶数重磁场谱线分裂，无法用轨道磁矩与外磁场相互作用来解释，因为这只能分裂谱线为（2n+1）重，即奇数重。,一、提出电子自旋的实验根据：,1.实验描述,（2）银原子磁矩只有两种取向,即空间量子化的。,施特恩-盖拉赫实验是发现电子具有自旋的最早实验之一。,二、电子自旋的实验证实:施特恩-盖拉赫实验（1922年）,基态银原子束通过非均匀磁场后，分离成朝相反方向的两束。,2.说明,（1）银原子具有磁矩，在非均匀磁场作用下受力的作用而发生偏转。,只能取两个值，且是 的 倍。若将空间的任意方向取为 方向，则，,（1）每个电子都具有自旋角动量，在空间任何方向上的投影,为了解释施特恩-盖拉赫实验，Uhlenbeck（乌仑贝克）和 Goudsmit（哥德施密特）于1925年提出了电子自旋假设。,三、电子自旋假设（1925）,第二章 量子纠缠的发展过程,一：量子力学随机性的争论二：爱因斯坦与波尔的争论提出EPR佯谬三：贝尔不等式的提出四：1982年法国阿斯派克特证明贝尔不等式五：量子纠缠被证明,量子力学创立过程的争论,我们现在都知道量子力学描述的是微观粒子的一种概率，由于量子力学描述的物理实在具有无法消除的随机性，所以，从它诞生之日起，围绕量子力学的争论就从未间断过。其主要表现为以爱因斯坦为代表的经典物理学家和以玻尔为代表的哥本哈根学派之间的冲突。自从1927年在第五届索尔维会议上爆发了两位科学巨人的第一次论战开始直到爱因斯坦逝世的30年间，爱因斯坦不断地给量子力学挑毛病。而正是这些争论使量子力学不断发展，使得量子纠缠效应被发现。,EPR佯谬的提出,在爱因斯坦与波尔的争论中，其间最著名的事例是在1935年同波多尔斯基和罗森为论证量子力学的不完备性而提出的一个EPR悖论。爱因斯坦等人在EPR的论文中提出如下一个量子态：其中x1，x2分别指代2个粒子的坐标，这样一个量子态的基本特征是它不可以写成两个子系统量子态的直积形式：薛定谔将这样的量子态称为纠缠态。爱因斯坦等人提出纠缠态的目的意在说明在承认局域性和实在性的前提下，量子力学的描述是不完备的。但是这个后来被证明了可以发生的事实就是量子态纠缠。,贝尔不等式的提出,1964年爱尔兰物理学家Bell在其发表的一篇文章中提出一个不等式，这就是著名的Bell不等式。在Bell所设计的实验中，局域隐变量理论得到的结果满足Bell不等式，而量子力学的预言将超出Bell不等式的限制。这样Bell的理论将EPR同玻尔的争论从哲学范畴提升到可以为物理实验所验证的范畴。,贝尔不等式被证明,法国的ascept小组在1982年做出了为物理学界所普遍认同的第一个最具说服力的检验Bell不等式的实验。他们使用的是Ca40原子在级联跃迁过程中辐射出的纠缠光子.实验构思十分精巧，实验结果显示Bell不等式被违背,从而推翻了决定论的局域隐变量理论.从这个实验以后，量子纠缠被证明是正确的，关于量子纠缠的研究与开发从此快速发展。,第三章 从关联到量子纠缠,一：关联二：量子纠缠三：纠缠的产生,关联,量子信息的物理载体：携带量子信息的光子、电子原子原子核等具有简单二能级的任何一个 量子客体。,电子、原子原子核等（静止量子bite，适用于量子计算、量子芯片、量子模拟等）,光子（以光速传播，飞行比特，适用于量子通信量子网路）,量子信息物理载体,量子信息 在一个微观粒子中，以0和1 的任一叠加态作为一个信息单元，叫做量子比特。,当我们用两个微观粒子做为一个单元，会怎样呢？若两个微观粒子是没有关系独立的，和一个微观粒子没有区别。若两个微观粒子有关联，则构成了一个复合体系。,关联的分类,能从两个粒子的局域处探测到两个粒子的信息，描述的是局域信息,无法从局域测量提取信息，必须同时测量才能提取信息,量子纠缠,由A和B构成的复合系统，若其量子态不能够表达成为子系统的直积形式则称为量子纠缠态,EPR效应,有两个粒子，每个粒子的自旋为二分之一，粒子的自旋要么向上要么向下。初始时将A和B两个粒子制备成总自选等于0的态，这两个粒子叫做EPR粒子对。然后将这两个粒子分开，在空间上距离无穷远。按照爱因斯坦的局域实时性，则A与B各干个的，不再有关联，可以局域的处理A和B。,问题1：A和B的状态？问题2：若测量A后，B的状态？,EPR效应的非局域性 对EPR粒子对中的其中一个进行测量，必然会影响另一个粒子的量子态，不管两 个粒子在空间上相距多远。纠缠态A和B之间构成了量子通道。,纠缠态的制备,目前制备纠缠态的主要方法有：1.自发参量下转换制备光子纠缠2.腔量子电动力学法(QED)3.离子阱法,纠缠的产生,纠缠的产生必须是在非局域的操作下产生，纠缠的产生需要集体操作。如非线性相互作用和纠缠交换等。在实验上可以采用参量下转换过程制备脉冲和连续的光子纠缠。,在强光下照射BBO晶体，将会产生一对下转换的光子，这对光子就是纠缠的。,第四章 量子通信,量子隐形传态：将未知量子态（量子比特）传送到远处而不传送 量子态的物理载体。,1.Alice和Bob各自拥有EPR对的一个纠缠粒子。2.Alice对处于未知量子态粒子和她的纠缠粒 子进行量子测量，获得4个可能经典00,01,10,11中的一个。3.Alice将测量的结果传送给Bob 4.Bob依据Alice的信息对他手中的EPR粒子做相 应 操作，便可恢复出原始的量子态。,二、量子比特门量子比特门：操纵量子比特 量子非门 量子Z门,Hodamard门,受控非门（CNOT)作用/A是控制比特/B是目标比特,量子信息技术概述,传统电子信息技术量子信息技术量子计算量子密码量子通信,电子信息技术 传统的电子信息技术，是通过薛定谔方程推导出出的能带理论，在能带理论的基础上详细了解晶体的能带后，创造出来的晶体管，通过晶体管的电子导通进行逻辑判断。通过晶体管的集成，形成集成电路进行数据处理。集成电路的集成度和晶体管的大小决定了集成电路的运算程度决定了运算速度。集成电路的集成发展程度满足摩尔定律当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。当晶体管足够小时，集成度太高时，就会出现产热过高问题以及由晶体管足够小导致的电子的量子效应，这种概率性会使电子的导通与截至出现概率性质，不再受之前的电场的控制。在这种情况下出现电子计算机的瓶颈，摩尔定理不再适用。,量子信息技术,量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。,量子计算,量子计算是通过并行处理处理量子比特的运算方式。它的基本原理是量子态叠加原理。由于态叠加原理使得一个态中可以同时包含多个数值，这样使得量子计算可以同时处理多个数值，进行并行运算。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2位量子位（qubit）寄存器可同时存储这四个数，因为每一个量子比特可表示两个值。如果有更多量子比特的话，计算能力就呈指数级提高。,量子密码,量子密码术与传统的密码系统不同，它依赖于物理学作为安全模式的关键方面而不是数学。量子密码的安全性由以下的物理原理得以保障 1.测量塌缩理论 2.不确定原理 3.不可克隆原理 4.单光子不可再分原理,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。基于量子力学的基本原理，量子通信具有高效率和绝对安全等特点。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态和量子纠缠的分发。,第五章 量子信息技术的世界前沿,量子通讯发展史1993年，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。1997年，在奥地利留学的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,2004年奥地利蔡林格小组利用多瑙河底光纤信道，成功地将量子态隐形传输距离提高到600米。2004年，中国科学技术大学的潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间信道中实现更远距离的量子通信。该小组2005年在合肥创造了13公里的双向量子纠缠分发世界纪录，同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子对的可行性。2007年开始，中国科学技术大学-清华大学联合研究小组开始在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态，证实了量子隐形传态过程穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网鉴定了可靠基础。2012年8月，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础,量子通讯研究现状 量子通信是一门新兴交叉学科，因其巨大的优越性和使用空间，各国科学家都在量子通讯领域投入了极大的热情。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会、国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究；欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个；日本邮政省也把量子通信作为21世纪的战略项目。一支意大利和奥地利科学家小组首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子，实现了太空绝密传输量子信息的重大突破。这一突破标明在太空和地球之间可以构建安全的量子通道来传输信息，用于全球通信。2012年9月，维也纳大学和奥地利科学院的物理学家实现了量子态隐形传态最远距离143公里，创造了新的世界纪录。,我国量子通讯进展,在量子密码通信领域上，我国的研究水平已经跻身世界前沿，并在某些方面具有不可比拟的优势。2004 年我国建立一条从北京到天津长125 公里的试验性光纤量子通信密码线路；2007 年，郭光灿领衔的研究团队在北京成功试验了“量子路由器”，并获得了美国授权专利；2009 年，国内首个“量子政务网”在安徽芜湖建成，标志着我国量子保密通信技术已经正式步入日常应用道。中国科大潘建伟小组在合肥建成了世界上首个光量 子电话网，标志着绝对安全的量子通信已由实验室进 了日常生活。,合肥城域量子通信试验示范网于2010年7月启动建设，投入经费6000多万元。经过中国科学技术大学和安徽量子通信技术有限公司科研人员历时1年多的努力，项目建成后试运行，各项功能、指标均达到设计要求。该项目2012年3月29日通过安徽省科技厅组织的专家组验收，30日正式投入使用。,右图为我国进行的量子通信实验,19971998年，首次成功地实现了量子态隐形传送（1997）以及纠缠态交换（1998）；,19992000年，首次成功实现三光子（1999）、四光子纠缠态（2001），并利用多粒子纠缠态首次成功地实现了GHZ定理的实验验证（2000）；,2008年，利用冷原子量子存储技术，在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠，以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果完美实现了远距离量子通信中急需的“量子中继器”，,2009年，由中国科大潘建伟、陈增兵、彭承志等人组成的团队针对量子通信实用化展开了攻关研究，研制成功量子电话样机，并在商业光纤网络的基础上，组建了可自由扩充的光量子电话网，节点间距达到20公里，实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话和3方对讲机功能2012年，首次成功实现百 公里量级的自由空间量子隐 形传态和纠缠分发，为发射 全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。,量子通讯卫星,基于我国近年来在量子纠缠态、纠错、存储等核心领域的系列前沿性突破，中科院于年启动了空间科学战略性先导科技专项，力争在年左右发射全球首颗“量子通讯卫星”。,量子通讯前景展望,由于量子通信具有的诸多传统通信手段不可比拟的优点，量子通讯技术将来有望形成QIT 新产业，也必将成为各国未来高技术的战略竞争焦点之一。据称欧洲航天局计划使国际空间站成为安全使用量子纠缠的信息中继站。若这项实验最终获得成功，将成为实现地球上任何两个点之间卫星通讯无限安全目标的重要一步。,量子信息的可能应用,近期：中期：长期：,实用量子密码 量子隐形传态 量子通信网络,量子处理器模拟量子系统,大数因子分解求分立对数量子搜寻,谢谢欣赏！,