第五讲量子通信论简介
量子通信简介素材课件
量子通信的未来应用前景
信息安全领域
利用量子通信的不可破解性和安 全性，可以构建绝对安全的通信 网络，应用于军事、政府和金融
等领域。
远程医疗
利用量子通信技术，可以实现远程 医疗和手术，为患者提供更加便捷 和高效的治疗方案。
物联网领域
利用量子通信技术，可以实现物联 网设备之间的绝对安全通信，提高 物联网的安全性和可靠性。
19世纪末期，物理学界开始 研究量子力学，奠定了量子通
信的基础。
20世纪初期，研究者提出量 子纠缠的概念，为后来的量子
通信奠定了基础。
20世纪末期，基于量子纠缠 的量子通信理论逐渐成熟。
近年来，随着技术的进步，量 子通信实验和实际应用逐渐取
得重大进展。
量子通信的应用场景
01
02
03
保密通信
量子通信可以用于实现绝 对安全的保密通信，适用 于军事、政府、金融等需 要高度保密的领域。
量子纠缠通信可以实现安全密钥分发和 安全直接通信，不需要第三方中继节点
。
量子态传输的关键技术
量子态传输是利用量子态的特性实现信息传输。
量子态传输协议主要包括GHZ协议、BHK协议等。
量子态传输可以实现安全的数据传输，同时还可以实现安全密钥分发和 安全直接通信。
04
CATALOGUE
量子通信的安全性分析
实验结果
展示实验结果，并对结果进行 分析和解释。
量子态传输实验演示
实验目标
演示量子态传输实验的目标，包括验证量子 态传输的可行性和安全性。
实验步骤
详细描述实验步骤，包括准备实验环境、搭 建实验系统、进行实验操作等。
实验原理
阐述量子态传输实验的基本原理，涉及量子 态的制备和测量、量子态的传输等。
量子通信技术简介
量子通信技术简介量子通信技术是一种基于量子力学原理的高度安全和高效率的通信方式。
它利用量子态的特性来传递和保护信息，提供了一种不受经典密码学攻击的通信方式，被誉为未来安全通信的重要手段。
本文将简要介绍量子通信技术的基础原理、主要应用以及未来发展方向。
首先，让我们了解一下量子通信技术的基础原理。
量子力学中的“量子态”是量子通信的核心基础。
在传统的经典通信中，我们使用比特（bit）作为信息的基本单位，其有两个状态：0和1。
而在量子通信中，我们使用量子比特（qubit）作为信息的基本单位，量子比特可以表示为0和1的叠加态。
这意味着一个量子比特可以同时处于0和1的状态，而不是仅仅处于其中一个。
这一差异使得量子通信具有所谓的“量子超越”效应，即利用量子态的特殊性质进行更加安全和高效的通信。
量子通信技术的主要应用之一是量子密钥分发（quantum key distribution，QKD）。
在传统的非量子加密中，加密和解密密钥通过经典通信方式传输，存在被黑客攻击的风险。
而利用量子通信技术实现的量子密钥分发可以提供信息传输的绝对安全性。
在量子密钥分发过程中，发送方使用一系列的量子比特进行传输，并在接收方和发送方之间建立起了一个特殊的秘密通道。
通过在这个通道上利用量子态的特殊性质进行通信，可以保证密钥传输的安全性和可靠性，使得黑客无法窃取密钥。
另一个重要的应用是量子隐形传态（quantum teleportation）。
量子隐形传态可以将一个量子比特的状态从一个地方传送到另一个地方，而不需要通过中间的传输媒介。
这种技术的应用潜力非常巨大，可以在未来实现高效的量子计算和量子网络。
通过实现量子隐形传态，科学家们可以在远距离传输量子相关性，将信息传输速度提高到光速，并为量子计算机的发展打下了重要基础。
此外，量子通信技术还具有广阔的未来发展前景。
当前，研究者们正在努力实现更长的量子比特传输距离、更高的传输速率以及更低的系统误码率。
量子通信原理
量子通信原理
量子通信原理是一种基于量子力学原理的通信技术，它利用量子比特（qubit）来传输信息。
在传统的通信中，信息通常是
通过电子或光子的传输来实现的，而量子通信则利用量子纠缠、量子隐形传态和量子密钥分发等原理来实现更高安全性和大容量的信息传输。
量子通信的基本原理是利用量子纠缠来实现信息的传输。
量子纠缠是指两个或多个量子系统之间相互依赖、相互关联的状态。
例如，当两个量子比特经过特定的操作后，它们之间的状态就会纠缠在一起，无论它们之间的距离有多远。
这种量子纠缠的状态变化可以用来传输信息。
量子隐形传态是量子通信的另一个重要原理。
它利用了量子纠缠的特性，在纠缠态的两个量子比特中选择一个进行测量，然后通过经典通信将测量结果传递给另一个量子比特，从而实现了信息的传输。
由于测量的结果是随机的，这种传输过程是不可拦截和窃取信息的。
量子密钥分发是量子通信中用于保证通信安全性的方法。
通过量子隐形传态，通信双方可以实现密钥的分发，即使有人窃听了通信的内容，也无法获取到真正的密钥。
这是因为量子纠缠和量子测量的特性使得通信的安全性得到了极大增强。
总的来说，量子通信利用量子力学原理实现了更高安全性和大容量的信息传输。
它的原理包括量子纠缠、量子隐形传态和量子密钥分发等，这些原理都是基于量子比特的特性实现的。
通
过研究和应用量子通信原理，我们可以进一步提升通信技术的水平，保护信息安全。
量子通信
• 2008年底，潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤 量子通信原型系统，在合肥成功组建了世界上首个3节点链 状光量子电话网，成为国际上报道的绝对安全的实用化量子 通信网络实验研究的两个团队之一（另一小组为欧洲联合实 验团队）。
• 2009年9月，潘建伟的科研团队正是在3节点链状光量子电话 网的基础上，建成了世界上首个全通型量子通信网络，首次 实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居 国际先进水平，标志着中国在城域量子网络关键技术方面已 经达到了产业化要求。
• 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。 • 2016年，中国科学技术大学教授、中国科学院院士郭光灿领 导的中科院量子信息重点实验室在量子力学基础研究方面取 得新进展，该实验室李传锋、许金时研究组与其合作者实验 实现了单向量子导引，定量揭示了一类非对称性的量子非局 域性。该研究成果发表在4月21日《物理评论快报》上，并被 选为“编辑推荐”文章，同时被美国物理学会 Physics 网站以 《单向量子性》为题报道。
存在的争议
• 第一，量子纠缠确定的只是两个量子之间具有纠缠关系 ，而具体两个量子的状态并非一成不变的，只要其中一 个粒子改变状态，另一个也会立即改变，并且这种改变 是瞬时的，截止目前的技术并不能检测到两个粒子之间 发生了任何信号传输，他们之间究竟是靠什么联系至今 没有实验能证明，有人认为是某种神秘信号，也有人认 为是宇宙中固有的联系，但实验可以证明的是，让他们 之间产生联系的如果是某种神秘信号，其传输速度远大 于光速，由于不能检测到这种“信号”的任何能量，所以 这种现象和狭义相对论之间是否对立不能简单地下结论 。
量子通信
热词摘录编者按:科技不断改变着我们的生活，科技术语也以日新月异的面貌悄然发生着变化。
本刊致力于科技术 语的规范，同时也关注媒体中出现的科技热词。
这些热词可能是早就规范了的科技术语，因某一科技事件 而频繁出镜;也可能还不具备明确的内涵，只是展现科技灵感的昙花一现，抑或会在经过时间的沉淀与凝 练后成为规范科技术语中的一分子。
本刊特辟“热词摘录”这个小栏目，摘录媒体中出现的热词，透过语境 解读内涵，同读者一起聆听当下媒体的新声音。
第八大洲日前,多名科学家在美国地质学会发表的研究报告宣称，发现了地球“第八大洲”，“新大洲”位于澳大 利亚以东，面积为490万平方公里，94%的面积在太平洋海水以下。
他们建议“第八大洲”沿用“西兰蒂亚 洲”（Zealandia)这一名称。
“第八大洲西兰蒂亚”如果能够得到世界公认，这一新的地理名词将改变人们的 地理认知,教科书也将被改写。
荫据英国《每日电讯报》2月16日报道，多名科学家在美国地质学会发表研究报告宣称，他们在澳大利亚东部发现了世 界“第八大洲”西兰蒂亚（Zealandia)。
----《世界“第八大洲”藏在水下？》（《信息时报》，2017-02-18A16版）荫这不是突然发现，而是渐进发现的结果。
“西兰蒂亚洲”这个名称是地质学家布鲁斯.卢因迪克于1995年提出的。
当时它被认为拥有大陆所需四大属性中的三种，近来利用卫星技术和海底重力图，科学家发现这块大陆是统一的区 域，完全满足了成为独立大陆所需要的条件。
—《第八大洲？》（中央电视台新闻频道（CCTV13)，2017-02-18)荫在新西兰底下有一片大陆的理论，存在有些年头。
1995年，一位地质学家给它起名叫“西兰蒂亚（Zealandia)”。
不过，当时科学家们掌握的证据并不完整。
如今这个说法再次被提出，是因为有一个最新证据“浮出水面”。
研究人员 利用“俯瞰地球”的卫星，再加上“海底重力图”技术发现，这里是一块统一的区域。
量子通信的原理
量子通信的原理
量子通信是一种基于量子力学原理的通信技术，它利用量子特性达到传输信息的安全和高效。
量子通信的原理涉及到以下几个关键概念：
1. 量子态传输：量子通信中的信息传递是通过传输量子态来实现的。
量子态包含了量子比特（qubits）的信息，可以是0和1的叠加态，也可以是两个量子比特之间的纠缠态。
传输的过程要保持量子态的纯度和相干性，以保证信息的准确性。
2. 量子态测量：接收方通过对传输过来的量子态进行测量，获得传输的信息。
在量子通信中，测量结果是随机的，但是传输的信息可以通过大量的测量来统计得到。
3. 量子纠缠：量子通信中的纠缠态是一种特殊的量子态，两个或多个量子比特之间在纠缠状态下有着特殊的关联，无论它们之间的距离多远。
通过纠缠态，量子通信可以实现远距离的信息传递。
4. 量子密码学：量子通信利用量子态的不可克隆性和测量过程的干扰性，实现了信息传输的安全性，抵御了经典加密方法所存在的破解风险。
典型的量子密码学技术包括量子密钥分发、量子密钥分配和量子认证等。
量子通信的原理是基于以上几个关键概念的，通过控制和传输量子态来实现信息的安全传递。
目前，量子通信仍然是一个活
跃的研究领域，研究者们正致力于提高量子通信的传输效率和扩展通信范围，以应对现代通信需求的挑战。
量子通信原理讲解
量子通信原理讲解量子通信是一种基于量子力学原理的通信方式，通过使用量子特性进行信息传输和加密，在传输过程中能够实现无法被窃取和干扰的高度安全的通信。
本文将对量子通信的原理进行详细讲解。
首先，我们需要了解量子力学中的一些基本概念。
在量子力学中，粒子不再是经典物理学中的确定性实体，而是具有波粒二象性的。
量子通信利用的基本单元是量子比特（qubit），它可以代表量子态的叠加和纠缠。
量子通信的原理主要包括量子态的制备、量子态的传输和量子态的检测三个基本过程。
首先是量子态的制备。
制备量子态是指利用物理手段使一个量子系统处于特定的状态。
常见的方式包括使用激光器产生一束特定的光子，以及通过电子自旋的操作来产生纠缠态等。
其次是量子态的传输。
量子态的传输需要依靠光子或原子等载体进行。
光子是最常用的传输量子态的载体，它具有不易受到环境扰动的特点。
在量子通信中，通常使用光纤进行量子态的传输，利用光子的特性来将量子信息传递到远距离。
在量子态的传输过程中，存在两种基本的量子通信协议——量子密钥分发和量子远程态准备。
量子密钥分发是指通过使用量子叠加态和纠缠态，使得通信双方可以安全地共享密钥。
在这个过程中，发送方制备量子态并将其传输给接收方，接收方通过对接收到的量子态进行测量，并通过经典通信方式将测量结果发送给发送方，以此共享密钥。
由于量子态的传输是不可逆的，在传输过程中任何对量子态的观测都会导致其崩溃，因此可以保证密钥的安全性。
量子远程态准备是指发送方可以通过传输量子态的方法将一个确定的量子态传输给接收方。
在这个过程中，发送方可以通过对自己手中的量子态进行测量和操作，从而将指定的量子态传输给接收方。
这种方式可以用来实现远程量子计算，即使接收方拥有的量子计算能力非常有限。
最后是量子态的检测。
量子态的检测主要通过测量来完成，根据测量结果可以获取量子态所代表的信息。
在量子通信中，常用的测量方式包括单比特测量和纠缠测量。
单比特测量是指对量子比特的一个单一的物理观测，可以得到量子比特的一个确定性信息。
量子通信技术简介
量子通信技术简介量子通信技术是一种基于量子力学原理的通信方式，利用量子叠加和量子纠缠的特性，实现了超高速、超安全的信息传输。
与传统通信方式相比，量子通信技术具有无法破解的安全性和更大的信息传输速率，被认为是未来通信领域的重要发展方向。
量子通信技术的基本原理是利用光子的量子特性进行信息的传输和处理。
量子通信的核心问题是如何在通信过程中保持信息的安全性。
传统的通信方式使用的是公开的加密算法，只要破解了算法，就能够获取通信内容，容易受到黑客的攻击。
而量子通信利用量子纠缠的特性，通过测量光子的状态来实现信息的加密和解密，只有合法的接收者才能够获取到正确的信息，大大提高了通信的安全性。
量子通信技术主要包括量子密钥分发和量子远程传态两个方面。
量子密钥分发是利用量子纠缠的特性来实现密钥的安全传输。
量子纠缠是一种特殊的量子态，当两个或多个粒子处于纠缠态时，它们之间的状态是彼此相关的，无论有多远的距离，改变一个粒子的状态，其他粒子的状态也会随之改变。
利用量子纠缠的特性，发送方将随机产生的密钥信息编码到纠缠光子的状态中，并将纠缠光子发送给接收方。
接收方通过测量光子的状态来获取密钥信息，由于量子纠缠的特性，任何对光子进行监听或窃取信息的行为都会导致纠缠态的破坏，从而保证了密钥的安全性。
量子远程传态则是利用量子纠缠的特性来实现量子态的远程传输。
量子态是描述量子系统状态的数学概念，包括量子比特的信息。
由于量子纠缠的特性，相互纠缠的量子态之间可以进行远程传输，即使两个量子态之间相隔很远的距离。
通过将量子态编码到纠缠光子的状态中，并将纠缠光子分别发送给不同的地点，就可以实现量子态的远程传输。
这项技术的应用将在量子计算、量子传感等领域带来革命性的突破。
除了量子密钥分发和量子远程传态，量子通信技术还包括量子纠错编码、量子中继等关键技术。
量子纠错编码利用纠错码来消除因量子态的干扰和噪声而导致的信息错误，提高通信的可靠性。
量子中继则是通过将光子与量子纠缠态相互交错，将量子态传输到更远的距离，克服了传统通信距离的限制，拓展了量子通信的应用范围。
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3．2 研究状况
研究机构： 国防研究单位 世界大通信公司。
1）基础理论研究
1982年，Paul Bennooff提出量子计算机的假设 1985年，D.Beutsh构造了量子计算机模型 1992年，C.H.Bennett提出量子信道传送经典信
息的可能性 1993年，S．Lloyd证明了二元量子逻辑门的通用
正交归一系
正交
若对H中的每一个矢量 都有
n
n
n
n
n
则称 n 为H的完备正交归一系，又称正交基。
Hibert空间向量 由正交基组成。n表示Hibert空间的维数
2) Hilbert空间的算子
有界线性算子 Aˆ 厄米共轭算子 Aˆ
公理化假设
公理1 量子力学系统的态用Hilbert空间中的矢 量表示，称之为态矢。态矢描述了量子力学系统 的全部信息。 公理2 量子力学系统中的可观测力学量（如 位置、质量、能量等），由Hilbert空间的厄米共 轭算子表征。 公理3 有界线性算子 Aˆ 和 Bˆ 满足对偶关系 公理4 量子系统的状态 (t ) 随时间演化的规律 遵循薛定谔方程。
性。
1993年，C.H.Bennett发表了量子测量、量子信 息提取、量子信道信量的开创性的研究成果。
1994年 Peter sher提出量子快速分解算法 2019年 Peter sher 提出量子纠错编码
2）实验进展
量子信道，即量子信息表述的物理实现
用光纤中的偏振光子态传送量子信息。 用束缚离子在离子阱中的时间迁移，传送量子信息。
1993年
英国国防研究部在光纤中实现了BB84方案相位编码量 子密钥分配实验，传送距离为10KM
瑞士日内瓦大学进行了BB84协议偏振编码传输1.1KM， 误码率为0.54％
2019年
密钥分配传输距离30KM（英国）48KM（美国）偏振 编码传输23KM误码率3.4％
2019年
瑞典与日本合作，利用光纤完成了40KM的量子密码 通信。预计2019年前后可以达到量子密钥分配的商业 化。
2．3 量子态与密度算子
1 )量子态
任 意 单 量 子 位 的 态 矢 记 为 ：0 1 , 0 , 1 为 基
矢, 2 2 1. n个量子位的态是2n维空间的一个矢量 .其基 为 {i ,i0,1,...,2n1}故n个量子位的态矢可表示为
2n 1
i i , i 2 1
i0
i
量子系统的纯态：可以用单一态矢表征的量子态称为纯态
3）量子系统演化的微分方程
量子态的相关性，可用密度算子表示， 用微分方程可以描述消相干（相关）过程。
三、当前量子通信的研究状况
3．1 量子信息科学涉及的领域
1）物理学
量子态的描述，传输和控制
2）信息科学
量子信息的编码、传输、处理 量子计算机的组织、结构 量子通信设备的系统、结构
3）数学
量子信息描述、运算
b
|
c⊕ （a • b)
态时，才对第三个量子位c执行U变换。
3）量子逻辑门与门、或门和非门
与门
(第1位）a
（第2位）b
（第3位）0
|
a b （a • b)
第3位输入置0，则第3位输等于第1、2位的“与” 或门
a
a
1
1
c
|
a⊕c
第2位输入置1，则第3位输出等于第1、3位的“或”
非门
1
1
c
|
1 1 c⊕1= c
1 ejwt 1
对| 1 的么正操作是引入一个矢量的相移
3）Hilbert空间的基态矢量
单量子基态矢量记为：
0 10 , 1 10
U操作的矩阵算式可表示为
(w)
1 0
0
e
jwt
1
0
双量子基态矢量记为
00
0
,
01
1
0
0
0
0
0
0
10
0
,
11
0
1
0
用双量子可表示更多的信息量
量子系统的混态：无法用单一态矢表征的量子态成为混态。 用概率统计描述混态。记为 { i , pi} . i 是纯态，p i 是 系统处于 i 的概率。有
pi 1
i
2） 密度算子 密度算子又称投影算子，记为
定义： ，用密度算子区分纯态与混态。 密度算子满足厄米性、正定性、等幂性和么迹性。
4）门电路的应用
由1,0电脉冲的与门、或门、非门构成了电子计算机 由量子与门、或门、非门应该可以构成量子计算机 量子计算机可实现超高速，超大容量的并行计算
五、量子纠错编码
5．1 电子编码与量子编码的异同
电子编码
量子编码
1）错误表象的唯一性 ：
比特翻转时唯一
除比特翻转外还有
可能的错误形式 01
相位错误
二、量子态的概念
2．1量子位
• 量子位(qubit) • Hilbert空间 • 二态系统
n量子位的态是2n维 Hilbert空间的一个矢量
电
bit位 1、0（二元域一维矢量）
n位取值M＝2n
2．2 Hilbert空间
Hilbert空间是量子力学的主要数学工具
包括： Hilbert空间中的矢量 Hilbert空间的空间算子 Hilbert空间的微分方程
1）Hilbert空间矢量 记作H，用符号|Ψ>表示
定义 1 Hibert空间中矢量的内积定义为 <·|·> = H×H＝C ． 即 （|a>，|b>）≡<a|b> 它是一个复数，具有完备性
定义2 若两矢量 和 满足 0 ，则称为 和
若一个矢量集 n 满足:
n m nm nm 一 矢量，则称 n
0 0 {
1 1
0 1
2）错误输出的单值性
非0即1
0 1
错误输出的连续性
由于量子态总是连续的，即
01
是连续的， , 是连续取值
的复数，可能引起小的偏移。
0
1
4．2 常用的量子逻辑符号与算式
1）符号
恒等门
I
1
0
0
1
非门
＋
σ门
z
σz
σ门
y
σy
H门
H
x
0
1
z
1
0
y
0
i
1
0
0 1
i
0
H
1 1 2 1
1 1
P门
P
T门
T
2）三位门——基本门电路
P
1
0
0
i
T
1 1
i
i
控制—控制—U门（三位门：Toffoli门）
a
a
b c
只有当a和b均处在 1
3）国内研究状况
中科大 国防科大
四、量子逻辑门
4．1 简单的量子逻辑门
1）单量子位U门
用Hilbert空间的量子位基态矢量定义量子逻辑门
逻辑门是对量子位基态矢量的一种操作，成为么正操作，用符
号U
表示
a
b
U
当且仅当 a 1 时，量子位b才被施加以U（么正)操作
2）么正操作
定义么正操作为：
0 0