量子通信原理及应用前景ppt课件
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第1讲 量子通信概述ppt课件
9
量子通信，量子计算机，量子模拟，量子度量学
10
量子力学
量子力学是20世纪自然科 学发展的台柱之一。但是， 自量子力学诞生以来，科 学界关于量子力学基本问 题一直进行着激烈的争论。
11
争论焦点： 自然界是否确实按量子力学的规律运行？ 经典力学：宏观物质的运动规律
量子力学：微观粒子的运动规律 自然界的运动规律
27
1.3 量子通信发展现状与展望
量子通信发展现状 量子通信发展展望
28
量子通信发展现状
自从1984年BB84协议出现后，各种协议不 断被提了出来，除了单光子脉冲的偏振自 由度、相位、时间、频率自由度也被挖掘 了出来，从而派生出了各种不同的实现方 法。制备-测量型量子通信系统基于单光子， 传输信道为单模光纤或自由空间。
30
量子通信发展展望
量子通信系统将由专网走向公众网络 ，目 前大多数实验量子通信系统均是针对专门 的应用，对量子信号的传输需要单独采用 一根光纤，这样的话一方面成本较高，另 一方面应用范围受限。为了将量子通信推 广使用，如何利用现有的光纤网络同时传 输量子信号与数据信号，克服强光信号对 单光子信号的影响，是最近实验和研究的 热门课题，已经有了实际的实验结果 。
的发展都离不开它。
并且派生出了许多新的学科。
量子场论 量子光学
量子电动力学
量子信息学
量子化学
量子电子学 ……
8
三、量子通信技术
通信安全
对于通信而言，迅捷再加上安全是关键。
对于目前电子信息时代，就地球范 围而言，通讯的即时性不成问题，而未 来距离遥远的星际通信就力有不逮。另 一方面自2013年斯诺登“棱镜门”事件 以来，给人们敲响了警钟，信息安全像 窗户纸一样脆弱。
量子通信，量子计算机，量子模拟，量子度量学
10
量子力学
量子力学是20世纪自然科 学发展的台柱之一。但是， 自量子力学诞生以来，科 学界关于量子力学基本问 题一直进行着激烈的争论。
11
争论焦点： 自然界是否确实按量子力学的规律运行？ 经典力学：宏观物质的运动规律
量子力学：微观粒子的运动规律 自然界的运动规律
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1.3 量子通信发展现状与展望
量子通信发展现状 量子通信发展展望
28
量子通信发展现状
自从1984年BB84协议出现后，各种协议不 断被提了出来，除了单光子脉冲的偏振自 由度、相位、时间、频率自由度也被挖掘 了出来，从而派生出了各种不同的实现方 法。制备-测量型量子通信系统基于单光子， 传输信道为单模光纤或自由空间。
30
量子通信发展展望
量子通信系统将由专网走向公众网络 ，目 前大多数实验量子通信系统均是针对专门 的应用，对量子信号的传输需要单独采用 一根光纤，这样的话一方面成本较高，另 一方面应用范围受限。为了将量子通信推 广使用，如何利用现有的光纤网络同时传 输量子信号与数据信号，克服强光信号对 单光子信号的影响，是最近实验和研究的 热门课题，已经有了实际的实验结果 。
的发展都离不开它。
并且派生出了许多新的学科。
量子场论 量子光学
量子电动力学
量子信息学
量子化学
量子电子学 ……
8
三、量子通信技术
通信安全
对于通信而言，迅捷再加上安全是关键。
对于目前电子信息时代，就地球范 围而言，通讯的即时性不成问题，而未 来距离遥远的星际通信就力有不逮。另 一方面自2013年斯诺登“棱镜门”事件 以来，给人们敲响了警钟，信息安全像 窗户纸一样脆弱。
量子通信技术量子纠缠科技讲课PPT课件
是迄今为止
书房的角落，挺立着一株虎尾兰。它 没有牡 丹的高 贵，没 有百合 花的幽 香，更 没有玫 瑰花那 样高傲 ，它除 了平凡 ，还是 平凡。 以至于 客人来 访，也 无一夸 赞过它 ，更没 有谁欣 赏它。
唯一被严格数学证明的
书房的角落，挺立着一株虎尾兰。它 没有牡 丹的高 贵，没 有百合 花的幽 香，更 没有玫 瑰花那 样高傲 ，它除 了平凡 ，还是 平凡。 以至于 客人来 访，也 无一夸 赞过它 ，更没 有谁欣 赏它。
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Quantum Communication
书房的角落，挺立着一株虎尾兰。它 没有牡 丹的高 贵，没 有百合 花的幽 香，更 没有玫 瑰花那 样高傲 ，它除 了平凡 ，还是 平凡。 以至于 客人来 访，也 无一夸 赞过它 ，更没 有谁欣 赏它。
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，
书房的角落，挺立着一株虎尾兰。它 没有牡 丹的高 贵，没 有百合 花的幽 香，更 没有玫 瑰花那 样高傲 ，它除 了平凡 ，还是 平凡。 以至于 客人来 访，也 无一夸 赞过它 ，更没 有谁欣 赏它。
该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力，
为未来构建全球化量子通信网络
奠定了坚实基础。
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高二物理竞赛课件：量子通信原理及应用
在网通公司的光纤中实现了125km的量子密钥传输 • 2007年，欧洲联合研究组在自由空间中实现了纠缠态光子的144km距离的
量子通信。 • 意大利和奥地利科研小组，首次识别出从地球上空1500km处的人造卫星上
反射回地球的单光子，实现了太空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构建安全的量子通道来传输信息用于全球通信。
量子保密通信的研究状况－应用
• 2002年，瑞士日内瓦大学-光纤中量子密码通信距离为67km。 • MIT于2001年发布了建立量子互联网的详细计划，并宣称已具备建立量子
互联网的技术。该计划打算在三年内建成量子互联网，并首先在麻省理工 学院建立3个节点。 • 日本从2001年开始十年内投资400亿日元实施“量子通信技术”计划。研 究课题有无法破译的密码技术、量子通信所需要的超高速量子计算机和传 输技术。并计划在2020～2030年使保密通信网络技术达到实用化水平。 • 2004年6月3日，美国防高级研究计划局资助开发的世界上第一个量子密码 通信网络在马萨诸塞州剑桥城投入运行实验。这套网络目前有6个节点，通 过普通光纤传输量子密码加密的数据，与现有互连网技术完全兼容，网络 传输距离约为10千米。 • 2008年，奥地利的科研人员正在完成覆盖欧洲的量子网络通信。 • 2009年，安徽量子政务网和量子电话网络投入使用。
量子远程传态： Quantum teleportation
检测序列 SB
上信道
CE3 SR6 SR7 W4
SR4 SR5 W3
量子信道 下信道
信息序列 SA
CE4
信息发送方 Alice
CM2 经典信道
信息接收方 Bob
量子机密共享： Quantum secret sharing
量子通信。 • 意大利和奥地利科研小组，首次识别出从地球上空1500km处的人造卫星上
反射回地球的单光子，实现了太空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构建安全的量子通道来传输信息用于全球通信。
量子保密通信的研究状况－应用
• 2002年，瑞士日内瓦大学-光纤中量子密码通信距离为67km。 • MIT于2001年发布了建立量子互联网的详细计划，并宣称已具备建立量子
互联网的技术。该计划打算在三年内建成量子互联网，并首先在麻省理工 学院建立3个节点。 • 日本从2001年开始十年内投资400亿日元实施“量子通信技术”计划。研 究课题有无法破译的密码技术、量子通信所需要的超高速量子计算机和传 输技术。并计划在2020～2030年使保密通信网络技术达到实用化水平。 • 2004年6月3日，美国防高级研究计划局资助开发的世界上第一个量子密码 通信网络在马萨诸塞州剑桥城投入运行实验。这套网络目前有6个节点，通 过普通光纤传输量子密码加密的数据，与现有互连网技术完全兼容，网络 传输距离约为10千米。 • 2008年，奥地利的科研人员正在完成覆盖欧洲的量子网络通信。 • 2009年，安徽量子政务网和量子电话网络投入使用。
量子远程传态： Quantum teleportation
检测序列 SB
上信道
CE3 SR6 SR7 W4
SR4 SR5 W3
量子信道 下信道
信息序列 SA
CE4
信息发送方 Alice
CM2 经典信道
信息接收方 Bob
量子机密共享： Quantum secret sharing
科普量子通信(共7张PPT)
-1-
量子的由来
第五次索尔维会议与会者合影(1927年)
一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片
-2-
-3-
-4-
量子通信 “量子通信”=量子物理+信息科学
量子物理
研究微观粒子的运 动规律
量子通信 其特点：高效率
绝对安全
信息科学 人与人、物与物传递 的消息
-5-
第五次索尔维会议与会者合影(1927年) “量子通信”=量子物理+信息科学 人与人、物与物传递的消息 一人张与传 人说、中物集与中物了传地递球的上消三息分之一智慧的照片 “第量五子次通索信尔”=维量会子议物与理会+信者息合科影学(1927年) 一“量张子传通说信中”=集量中子了物地理球+信上息三科分学之一智慧的照片 “研量究子微通观信粒”=子量的子运物动理规+信律息科学 研究微观粒子的运动规律 第一五张次 传索说尔中维集会中议了与地会球者上合三影分之(19一2智7年慧) 的照片 一研张究传 微说观中粒集子中的了运地动球规上律三分之一智慧的照片 一 人张与传人说 、中 物集 与中 物了 传地 递球 的上消三 息分之一智慧的照片 “量子通信”=量子物理+信息科学 “研量究子微通观信粒”=子量的子运物动理规+信律息科学 人与人、物与物传递的消息 一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片 第五次索尔维会议与会者合影(1927年)
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量子的由来
第五次索尔维会议与会者合影(1927年)
一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片
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量子通信 “量子通信”=量子物理+信息科学
量子物理
研究微观粒子的运 动规律
量子通信 其特点：高效率
绝对安全
信息科学 人与人、物与物传递 的消息
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第五次索尔维会议与会者合影(1927年) “量子通信”=量子物理+信息科学 人与人、物与物传递的消息 一人张与传 人说、中物集与中物了传地递球的上消三息分之一智慧的照片 “第量五子次通索信尔”=维量会子议物与理会+信者息合科影学(1927年) 一“量张子传通说信中”=集量中子了物地理球+信上息三科分学之一智慧的照片 “研量究子微通观信粒”=子量的子运物动理规+信律息科学 研究微观粒子的运动规律 第一五张次 传索说尔中维集会中议了与地会球者上合三影分之(19一2智7年慧) 的照片 一研张究传 微说观中粒集子中的了运地动球规上律三分之一智慧的照片 一 人张与传人说 、中 物集 与中 物了 传地 递球 的上消三 息分之一智慧的照片 “量子通信”=量子物理+信息科学 “研量究子微通观信粒”=子量的子运物动理规+信律息科学 人与人、物与物传递的消息 一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片 第五次索尔维会议与会者合影(1927年)
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量子通信ppt
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QUANTUM COMMUNICATION TECHNOLOGY
量子信息技术及应用简介
01 技术原理简介 02 应用特点难点 03 发展方向用途 04 国际应用现状
Part 01
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量子通信V4.0.ppt
征粒量子子的态能是量指、原旋子转、、中运子动、、质磁子场等以粒及子其的他状的态物，理它特可性表。
量子信息的单元 称为量子比特。
量子比特（即量子态）的物理载体：光子，电子，原 子，核自旋，… …
以量子态作为信息单元，“信息”就量子化。 以“比特”作为信息单元的是经典信息，以“量子 比特”作为单元的是量子信息。
2024/6/1
纠缠
• 现在有两个光子，A光子可以有两种状态，一 个极化方向向上，一个极化方向向下。同样B 光子也有向上和向下的极化方向。在数学上， A的向上乘上B的向下，减掉A的向下，乘上B 的向上，乘上根号2。这个状态一般叫做两个 光子纠缠不清的状态。
A, B 1
2
AB
AB
2024/6/1
《武林外传》中关于“我”的哲学问题
---知识就是力量
2024/6/1
量子力学对我们生活的启示
• 在最宏大的视野里，宇宙中运行着的星球的角落 里所发生的细微的量子过程，将宇宙一次次的分 裂。因而，地球连同我们被一次次的复制，数目 巨大到难以想象的宇宙的不同版本在同时上演。 在我们每一次的选择中，宇宙被分裂成几个世界， 因而你的不同版本的生命形态在同时上演，可见 我们每个人的生命都是丰富多彩的~~
•
设想空间中有一个微观粒子，任何时
刻有可能在空间中任何点探测到粒子（类
似经典波的特性），但一旦探测到只能在
其中一个探测器处发现该粒子（类似经典
粒子的特性）。
C
B
A
2024/6/1
A,B,C,…为探测器
经典粒子在某个时刻只能处于确定的物理状 态上； 量子粒子则可以同时处于各种可能的物理状 态上（叠加态）。 在量子力学中微观粒子的状态用波函数描述。
量子通信PPT概况
15/17
10.量子通信的应用
在网络信息安全威胁日益严峻的大背景下， 量子通信作为能够在物理层提供无法被窃听和破 解的绝对安全信息传输的通信技术手段，对于网 络安全和国家安全的战略意义不言而喻。
同时随着量子通信技术的发展，量子通信必 将作为常规通讯手段，走入寻常百姓家。
16/17
Thank you!
2.1993提出量子隐形传送的方案
基本思想：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:发送者对原物进行某 种测量而获得的。 量子信息:发送者在测量中未提 取的其余信息。
13/17
9.中国贡献
3.1997年潘建伟与荷兰学者波密斯特等人首次实现了未知量子态 的远程传输。 4.中科大潘建伟教授及其同事，首次实现了具有存储和 读出功能的纠缠交换，实现了“量子中继器”，向量 子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。 5.2010年，中国科技大学和清华大学的自由 空间量子通信实验将通信距离从数百米记 录一步跨越到16公里。 6.2012.08.09，中国科技大学的研究人员再 次创造了新纪录，将通信距离扩大到了97 公里，横跨中国的一个湖泊。
17/17
量子通信
电信工（1）班 秦善达 方诚
1/17
1、量子通信的起源
爱斯派克特和他的小组成功地完成了 1982年，法国物理学家艾伦· 一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”的现象确实存在。
在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学C.H.Bennett提出 了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。
10/17
7.量子通信传输的信息
经 典 信 息
用于 量子密钥的传输 但是，量子力学的不确定性原理 不允许精确地提取原物的全部信 息，这个复制品不可能是完美的。 因此长期以来，隐形传送不过是 一种幻想而已 幻想 所谓隐形传送指的是脱离实物的一 种“完全”的信息传送。从物理学 角度，可以这样来想象隐形传送的 过程：先提取原物的所有信息，然 后将这些信息传送到接收地点，接 收者依据这些信息，选取与构成原 物完全相同的基本单元，制造出原 11/17 物完美的复制品。 量 子 信 息 用于
10.量子通信的应用
在网络信息安全威胁日益严峻的大背景下， 量子通信作为能够在物理层提供无法被窃听和破 解的绝对安全信息传输的通信技术手段，对于网 络安全和国家安全的战略意义不言而喻。
同时随着量子通信技术的发展，量子通信必 将作为常规通讯手段，走入寻常百姓家。
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2.1993提出量子隐形传送的方案
基本思想：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:发送者对原物进行某 种测量而获得的。 量子信息:发送者在测量中未提 取的其余信息。
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9.中国贡献
3.1997年潘建伟与荷兰学者波密斯特等人首次实现了未知量子态 的远程传输。 4.中科大潘建伟教授及其同事，首次实现了具有存储和 读出功能的纠缠交换，实现了“量子中继器”，向量 子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。 5.2010年，中国科技大学和清华大学的自由 空间量子通信实验将通信距离从数百米记 录一步跨越到16公里。 6.2012.08.09，中国科技大学的研究人员再 次创造了新纪录，将通信距离扩大到了97 公里，横跨中国的一个湖泊。
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量子通信
电信工（1）班 秦善达 方诚
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1、量子通信的起源
爱斯派克特和他的小组成功地完成了 1982年，法国物理学家艾伦· 一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”的现象确实存在。
在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学C.H.Bennett提出 了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。
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7.量子通信传输的信息
经 典 信 息
用于 量子密钥的传输 但是，量子力学的不确定性原理 不允许精确地提取原物的全部信 息，这个复制品不可能是完美的。 因此长期以来，隐形传送不过是 一种幻想而已 幻想 所谓隐形传送指的是脱离实物的一 种“完全”的信息传送。从物理学 角度，可以这样来想象隐形传送的 过程：先提取原物的所有信息，然 后将这些信息传送到接收地点，接 收者依据这些信息，选取与构成原 物完全相同的基本单元，制造出原 11/17 物完美的复制品。 量 子 信 息 用于
量子通信的原理和应用前景
量子通信的原理和应用前景现代通信已经越来越普及，人类可以在几秒钟内发送数百兆字节的信息到世界上任何一个地方。
但是，这些信息传输并不完美。
例如，在现代的数字通信中，我们使用的是固定的带宽和协议，而信道噪声和随机干扰可能会影响信息的传输和接收，导致错误或不完整的信息。
为了克服这些问题，科学家研究发展了一种新型的通信技术：量子通信。
量子通信是指基于量子力学原理的通信方法，它使用了量子特性，如量子态和量子纠缠，并采用单光子的方式进行通信。
量子通信的基本原理是利用量子纠缠的特性，这种特殊的纠缠关系能够使得两个粒子之间的状态相互关联，不论它们被离开多远的距离，它们依然保持联系。
这种量子纠缠的特性被称为“非局域性”，因为它超越了物理上的距离，可以远程传输信息。
在量子通信的通信过程中，发送端通过非线性光学器件将一对纠缠态的光子射向两个基地站。
接收端的基地站可以使用探测器来检测光子状态。
当光子状态改变时，它们的纠缠态也会相应地发生改变，这使得接收端可以使用另一个光子来重建发送端的光子。
如果两端之间的通信信道没有被截获，那么信息就可以被保持安全。
量子通信的优点是非常明显的，而且有许多具有实际应用的潜力。
首先，用这种方式进行信息传输是非常安全的，因为任何第三方的窃听和窃取信息的尝试将会引起量子态的测量，从而导致信息的破坏。
这种情况下，系统中存在的任何动态干扰都会导致量子纠缠的破坏和通信的失败。
因此，它非常适用于在情报、政府和金融领域等的保密通信和隐私安全领域中。
另一个优势是数据传输的速度。
利用量子的纠缠性，量子通信的通信速度可以达到光速，而目前的光通信速度是电信速度的每秒数百万分之一。
因此，量子通信的速度远远高于现有的任何一种通信技术。
此外，量子通信还具有巨大的扩展性和可靠性，能够保证数据传输的稳定性和正确性。
然而，量子通信技术仍存在一些限制，使其在商业上的应用仍然有一定挑战。
首先，量子通信的实施需要大量的设备和技术，因此成本非常高。
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7
量子通信原理简介
• 量子隐形传态 • 所谓量子隐形传态利用了纠缠态粒子之间的特殊“心灵感应”，即不
论相隔多远，只要两个粒子仍然保持着纠缠态，其中一个发生了变化， 另一个一定发生相应的变化。 • 1993年，Bennett等来自四个国家的六位科学家演示了第一种量子隐 形传态方案，其过程如下 • Alice与Bob分别拥有一对纠缠粒子对2,3中的2与3. • Alice要向Bob发送消息，Alice对某粒子1 的当前状态未知，她将联 合测量粒子1与2。因为测量，所以粒子1与2发生了变化，由于2与3 是纠缠态粒子，于是3也会发生相应的变化。 • Alice通过经典信道将测量结果告诉Bob，Bob对3进行一系列操作将 能得到粒子1的最初状态。
9
量子通信原理简介 量子通信原理简介 • 概率隐形传态
• 在Bennett等人提出的标准量子隐形传态方 案中,采用最大纠缠态作为量子通道来传送未 知量子态,隐形传态的成功率必定会达到 100%,但是在实际中由于量子态和周围环境 的耦合是不可避免的,所以,作为量子通道的 这些最大纠缠态在制备过程中会受到上述及 其它因素的影响而很难得到,最终粒子对处于 部分纠缠或非最大纠缠态.因此,运用部分纠 缠态作为量子通道就具有很大的实际意义.
密文长度相等。这种密码的实际使用需 要传送的绝对保密性。
5
传统通信的缺陷与量子通信
• 随着现代计算机的计算能力的飞速发展，现在的常用密码体制终究有 一天会变得无密可言。
• 解决现在的通信保密难题的途径只有两条，即确保通信内容不被己方 不知的情况下被窃听，或是使用Vernam体制密码。然而这些都是传 统的通信手段所无法隐形传态 • 需要说明的是，Alice处的粒子1失去其测量前的状态，而远在Bob处
的某粒子则获得了粒子1 的初始状态，该过程的净结果是粒子1的状 态未进过物质传递，转移到了Bob处。 • 粒子2变化的同时粒子3也会发生变化，实验证明纠缠态粒子之间的反 应速度>107C，然而量子的隐形传态需要经典信道的辅助传送测量结 果，其上的时间消耗与Bob处 的操作时间决定了量子隐形传态不可能 超光速。
• 但是，量子通信却可以做到这些。 • 目前，量子通信尚无严格的定义。物理上，量子通信可以被理解为在
物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信。信息学上，我们则认 为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不可克隆原理和量 子态的测量塌缩性质等）或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属 性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。
10
量子通信原理简介
• 量子密钥分配 • 前面说到除非经常更换的密码或Vernam体制密码，否则无法保证密
钥的安全。经常更换密码则会在信道中泄露密钥。量子密钥分配正是 通过确保密钥在传递过程中的安全性实现彻底安全的通信。 • 1984年，来自IBM研究组的Bennett与加拿大蒙特立尔大学的 Brassard一起提出了第一个实用性的量子密码通信协议一BB84协议 • 1991年，牛津大学的Ekert提出了 E91协议，即EPR协议。1992年， Bennett提出用两个非正交态实现量子密码通信—B92协议 • 基于量子密钥分配BB84协议的通信过程实际上分为两步。 • 第一步，分配密钥。 • 第二步，通过经典信道进行密文传递。
量子通信原理及应用前景 简介
1
传统通信的缺陷与量子通信
• 现在人们广泛使用着多种通信方式，这些通信技术为人类 社会的进步发展提供强大助力，可以说没有这些通信方式 就不会有今天人类社会的繁荣局面。
• 但是在这些通信技术手段为人们带来巨大帮助的时候，却 始终有一个问题难以得到有效解决，那就是通信中的保密 问题。
• 实际中人们利用加密的方式传送信息，发送者通过密钥将 需要发送的信息转化为密文，接收者再通过密钥将密文转 化为可以直接读取的信息。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 然而这种形式的信息传送也并不安全。首先双方需要分配 密钥，传统的信息传送方式除了效率极低的信使或会晤外， 都无法避免密钥的泄露。
• 而且几乎所有的密码都存在被破解的可能，因而需要时常 更换密码。而现代商业或航天活动中这显然又面临着密钥 泄露或密钥难以甚至无法传送的矛盾。
• 当以部分纠缠态作为量子通道时实现的是概 率隐形传态概率隐形传态中需要引入一个辅 助粒子，其与粒子3一同操作。最终观察辅 助粒子的状态，根据它的状态判断传态是否 成功。
• 在量子隐形传态中外界根本无法得到有用的 信息，因为粒子2,3只在Alice与Bob手中， 窃听者从经典信道中获得了信息也完全无法 推出有关粒子1 的任何有用信息。即窃听者 无法获得Alice与Bob之间传递的信息。
• 今天，人类已经开发研究出了新的通信技术，量子通信技 术，其在理论上是可以保证绝对保密的通信技术手段。这 也是今天我向大家讲解介绍的内容。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 传统的通信技术包括最原始的诸如烽火等依靠声光传播信 息的手段，以及现代各种有线无线通信手段，如光纤，微 波通信等等。除开信使与直接会晤这种效率极低下的通信 方式外，其余所有的通信方式都无法真正避免通信内容在 通信双方不知情的情况下被窃听者获取。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 传现发代送统网方通络的商密信业钥的上是常公缺用 开陷的的是，与非而量对接称收子密方通钥的。密信 钥则只有接收者知晓。该体制的安全性 是基于大数因式分解这样一类不易计算 的单向函数。比如1977年,美国出了一道 解密题,其解密需要将一个129位数分解 成一个64位和一个65位素数的乘积,估计 用当时的计算机需要用4×1016年。
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量子通信原理简介
• 量子通信的安全性源于量子力学的基本原理。 • 一是不确定性原理，也称测不准原理，即不可能同时精确
测量两个非对易的物理量，如量子的坐标和动量。 • 二是测量塌缩原理，即对量子态进行测量会不可避免地使
该量子态塌缩到某一个本征态上，这意味着对量子态进行 测量都会留下痕迹。 • 三是不可克隆定理，即一个未知的量子态是无法被精确克 隆的。 • 此外还有量子纠缠态，相互纠缠的两个粒子无论被分离多 远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发 生相应变化的现象
• 但是随着计算机计算能力的不断发展， 这样的密码机制变得越来越不安全。上 面的那道解密题到了1994年,只用8个月 就能解出。尤其是Shor量子算法证明,采 用量子计算机可以轻而易举地破译这种 公开密钥体系。
• 目前世界上只存在一种被证明无法破解
的密码，Vernam密码体制，但是这事
实上是一种一次性密码，且密钥长度与
量子通信原理简介
• 量子隐形传态 • 所谓量子隐形传态利用了纠缠态粒子之间的特殊“心灵感应”，即不
论相隔多远，只要两个粒子仍然保持着纠缠态，其中一个发生了变化， 另一个一定发生相应的变化。 • 1993年，Bennett等来自四个国家的六位科学家演示了第一种量子隐 形传态方案，其过程如下 • Alice与Bob分别拥有一对纠缠粒子对2,3中的2与3. • Alice要向Bob发送消息，Alice对某粒子1 的当前状态未知，她将联 合测量粒子1与2。因为测量，所以粒子1与2发生了变化，由于2与3 是纠缠态粒子，于是3也会发生相应的变化。 • Alice通过经典信道将测量结果告诉Bob，Bob对3进行一系列操作将 能得到粒子1的最初状态。
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量子通信原理简介 量子通信原理简介 • 概率隐形传态
• 在Bennett等人提出的标准量子隐形传态方 案中,采用最大纠缠态作为量子通道来传送未 知量子态,隐形传态的成功率必定会达到 100%,但是在实际中由于量子态和周围环境 的耦合是不可避免的,所以,作为量子通道的 这些最大纠缠态在制备过程中会受到上述及 其它因素的影响而很难得到,最终粒子对处于 部分纠缠或非最大纠缠态.因此,运用部分纠 缠态作为量子通道就具有很大的实际意义.
密文长度相等。这种密码的实际使用需 要传送的绝对保密性。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 随着现代计算机的计算能力的飞速发展，现在的常用密码体制终究有 一天会变得无密可言。
• 解决现在的通信保密难题的途径只有两条，即确保通信内容不被己方 不知的情况下被窃听，或是使用Vernam体制密码。然而这些都是传 统的通信手段所无法隐形传态 • 需要说明的是，Alice处的粒子1失去其测量前的状态，而远在Bob处
的某粒子则获得了粒子1 的初始状态，该过程的净结果是粒子1的状 态未进过物质传递，转移到了Bob处。 • 粒子2变化的同时粒子3也会发生变化，实验证明纠缠态粒子之间的反 应速度>107C，然而量子的隐形传态需要经典信道的辅助传送测量结 果，其上的时间消耗与Bob处 的操作时间决定了量子隐形传态不可能 超光速。
• 但是，量子通信却可以做到这些。 • 目前，量子通信尚无严格的定义。物理上，量子通信可以被理解为在
物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信。信息学上，我们则认 为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不可克隆原理和量 子态的测量塌缩性质等）或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属 性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。
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量子通信原理简介
• 量子密钥分配 • 前面说到除非经常更换的密码或Vernam体制密码，否则无法保证密
钥的安全。经常更换密码则会在信道中泄露密钥。量子密钥分配正是 通过确保密钥在传递过程中的安全性实现彻底安全的通信。 • 1984年，来自IBM研究组的Bennett与加拿大蒙特立尔大学的 Brassard一起提出了第一个实用性的量子密码通信协议一BB84协议 • 1991年，牛津大学的Ekert提出了 E91协议，即EPR协议。1992年， Bennett提出用两个非正交态实现量子密码通信—B92协议 • 基于量子密钥分配BB84协议的通信过程实际上分为两步。 • 第一步，分配密钥。 • 第二步，通过经典信道进行密文传递。
量子通信原理及应用前景 简介
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传统通信的缺陷与量子通信
• 现在人们广泛使用着多种通信方式，这些通信技术为人类 社会的进步发展提供强大助力，可以说没有这些通信方式 就不会有今天人类社会的繁荣局面。
• 但是在这些通信技术手段为人们带来巨大帮助的时候，却 始终有一个问题难以得到有效解决，那就是通信中的保密 问题。
• 实际中人们利用加密的方式传送信息，发送者通过密钥将 需要发送的信息转化为密文，接收者再通过密钥将密文转 化为可以直接读取的信息。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 然而这种形式的信息传送也并不安全。首先双方需要分配 密钥，传统的信息传送方式除了效率极低的信使或会晤外， 都无法避免密钥的泄露。
• 而且几乎所有的密码都存在被破解的可能，因而需要时常 更换密码。而现代商业或航天活动中这显然又面临着密钥 泄露或密钥难以甚至无法传送的矛盾。
• 当以部分纠缠态作为量子通道时实现的是概 率隐形传态概率隐形传态中需要引入一个辅 助粒子，其与粒子3一同操作。最终观察辅 助粒子的状态，根据它的状态判断传态是否 成功。
• 在量子隐形传态中外界根本无法得到有用的 信息，因为粒子2,3只在Alice与Bob手中， 窃听者从经典信道中获得了信息也完全无法 推出有关粒子1 的任何有用信息。即窃听者 无法获得Alice与Bob之间传递的信息。
• 今天，人类已经开发研究出了新的通信技术，量子通信技 术，其在理论上是可以保证绝对保密的通信技术手段。这 也是今天我向大家讲解介绍的内容。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 传统的通信技术包括最原始的诸如烽火等依靠声光传播信 息的手段，以及现代各种有线无线通信手段，如光纤，微 波通信等等。除开信使与直接会晤这种效率极低下的通信 方式外，其余所有的通信方式都无法真正避免通信内容在 通信双方不知情的情况下被窃听者获取。
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传统通信的缺陷与量子通信
• 传现发代送统网方通络的商密信业钥的上是常公缺用 开陷的的是，与非而量对接称收子密方通钥的。密信 钥则只有接收者知晓。该体制的安全性 是基于大数因式分解这样一类不易计算 的单向函数。比如1977年,美国出了一道 解密题,其解密需要将一个129位数分解 成一个64位和一个65位素数的乘积,估计 用当时的计算机需要用4×1016年。
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量子通信原理简介
• 量子通信的安全性源于量子力学的基本原理。 • 一是不确定性原理，也称测不准原理，即不可能同时精确
测量两个非对易的物理量，如量子的坐标和动量。 • 二是测量塌缩原理，即对量子态进行测量会不可避免地使
该量子态塌缩到某一个本征态上，这意味着对量子态进行 测量都会留下痕迹。 • 三是不可克隆定理，即一个未知的量子态是无法被精确克 隆的。 • 此外还有量子纠缠态，相互纠缠的两个粒子无论被分离多 远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发 生相应变化的现象
• 但是随着计算机计算能力的不断发展， 这样的密码机制变得越来越不安全。上 面的那道解密题到了1994年,只用8个月 就能解出。尤其是Shor量子算法证明,采 用量子计算机可以轻而易举地破译这种 公开密钥体系。
• 目前世界上只存在一种被证明无法破解
的密码，Vernam密码体制，但是这事
实上是一种一次性密码，且密钥长度与