量子通信的奥秘Word下载.docx
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在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即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，这就是量子纠缠。
尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，但却不愿意接受它，并斥之为“幽灵般的超距作用（spookyactionatadistance）”。
如今，量子纠缠已经被实验证实确实存在，量子纠缠的实证已被认为是近几十年来科学最重要的发现之一，对科学界和哲学界产生了深远的影响，成为量子计算机和量子通信的理论基础，并从理论走向现实，逐渐走进人们的日常生活。
量子通信——以实验驳倒爱因斯坦
所谓量子通信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，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。
量子通信具有高效率和绝对安全等特点，是目前国际量子物理和信息科学的研究热点。
追溯量子通信的起源，还得从爱因斯坦的“幽灵”——量子纠缠的实证说起。
由于人们对纠缠态粒子之间的相互影响一直有所怀疑，几十年来，物理学家一直试图验证这种神奇特性是否真实。
1982年，法国物理学家艾伦·
爱斯派克特（AlainAspect）和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”（quantumentanglement）的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。
从笛卡儿、伽利略、牛顿以来，西方科学界主流思想认为，宇宙的组成部份相互独立，它们之间的相互作用受到时空的限制（即是局域化的）。
量子纠缠证实了爱因斯坦的幽灵——超距作用（spookyactioninadistance）的存在，它证实了任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。
在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信（QuantumTeleportation）的概念。
量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。
量子通信概念的提出，使爱因斯坦的“幽灵（Spooky）”——量子纠缠效益开始真正发挥其真正的威力。
1993年，在贝内特提出量子通信概念以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，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，即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，这就是量子通信最初的基本方案。
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，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。
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。
经过二十多年的发展，量子通信这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展，主要涉及的领域包括：
量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。
两束激光束以稍微不同的频率发射像猫脸一样的图像（显示具有偏离橙色和紫色的色彩）揭示了扭曲的线条中的细节，显示了纠缠在一起的两幅图像中存在的随机波动。
跟踪量子密码
在普朗克提出的量子理论中，量子的不可复制性是一项基本定律。
如果一枚旋转着的硬币是量子世界中一个物体，一旦你要复制它，势必要对它进行测量，这种外来的行为就会改变它的运动状态。
也就是说，任意量子的状态，在受到复制或测量时，都会发生变化。
换个角度说，量子一旦被测量过，就不再是原来的那个量子了。
所以，利用量子的这一特性制作的密码，从理论上讲是一种最为安全的密码。
一个量子物质的传送过程就像光在光纤里传输过程一样，如果一个偷听者想在某一个地方偷听信息，或者将该信息内容复制下来，这就是一种测量行为，这种测量对量子体系来说意味着对整个体系的破坏，其结果是被测量的信息将全部消失。
正是基于以上原理，科学家们提出了量子密码的概念，并把它应用与量子通信系统中，因此从理论上讲，量子通信是绝对安全的。
实际上，关于量子密码的起源，还有一个有趣的小故事。
二十世纪70年代，在量子通信概念提出以前，当时美国的伪钞特别猖狂，美国哥伦比亚大学有一个年轻的学者，提出了电子货币的概念。
他建议使用量子信息建立一种无法复制的量子货币，并写了一篇文章，投到一个杂志，那个杂志的编辑认为这个年轻人简直就是胡思乱想，于是把稿子退了回去。
到了二十世纪80年代，美国彼尼特和加拿大的一个密码学家BennettBrassard开国际会议闲聊时，谈到这个年轻人的想法，觉得非常有启发。
于是他们就把年轻人的想法研究了一番，并提出了BB84量子密码的方案。
这便是量子密码的起源。
BB84量子密码的方案在已经被证明是非常成功的，即便以后的量子计算机，或更高级的仪器都无法破解。
BB84量子密码已经成为目前国际上使用最多的一种量子密钥方案，而且成为量子通信的重要发展基础。
自从1984年BennettBrassard提出量子密钥分发的BB84协议以来，由于其建立在量子的不确定性原理和不可克隆原理基础上的无条件安全性，量子密码得到了迅速的发展。
2002年，瑞士日内瓦大学的研究组在67千米的光纤中实现了单光子密码通信；
但是由于目前还没有完美的单光子源，以上实验均是用弱相干光衰减来近似得到单脉冲，其中有些脉冲仍然含有多个光子，对光子数目分束攻击就是不安全的。
2003年，Hwang提出了基于诱骗态的量子密钥分发的思想，利用强度不同的弱相干态光源抵抗分束攻击。
2004年，实际可行的诱骗态量子密钥分发方案被提出。
2006年,我国中国科技大学教授潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学—维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验，由此打开了量子通信走向应用的大门。
注：
诱骗态量子密码方案
量子密码为两个遥远的用户之间建立随机、保密且无条件安全的量子密钥提供了一个强有力的工具。
然而，由于实际物理设备的固有缺陷（如通信光纤传输损耗、探测器固有暗计数、单光子源的尚未实用化等），给实际系统中的量子密钥生成率和最大安全传输距离带来了局限。
为了解决这个问题，国际上许多小组都进行了大量的理论和实验研究，一些新方法新技术不断被提出，诱骗态量子密码理论主要是针对窃听者分束攻击这一根本问题提出的解决方案。
2003年,Hwang提出了一种抵抗分束攻击的有效方法——诱骗态（Decoy）编码方法。
基本原理是发送方随机地使用两个波长、线宽等物理常数都相同，只有强度不同的弱相干态光源，其中一个称为信号态（signalstate），用于量子密钥分配；
另一个称为诱骗态（decoystate），用于探测窃听者的存在。
太空中的量子通信
2008年，在《新物理学》（NewJournalofPhysics）杂志上，一支意大利和奥地利科学家小组宣布，他们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。
意大利帕多瓦大学的保罗-维罗来斯和恺莎尔-巴伯利领导此研究小组，成功地利用意大利名为马泰拉（Matera）激光测距天文台的1.5米望远镜向地球上空1500公里处的日本阿吉沙（Ajisai）人造卫星发射出光子，并让此卫星将这些光子反弹回到了原始出发地。
这标志着无法偷听的量子编码通信可望通过人造卫星来实现。
2007年6月，一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组在量子通信研究中通过创下了通信距离达144公里的最远纪录。
而要达到更远的距离很难，因为大气容易干扰光子脆弱的量子状态。
而巴伯利小组想出了解决办法，通过人造卫星来发送光子。
由于大气随高度的增加而日趋稀薄，在卫星上旅行数千公里只相当于在地面上旅行8公里。
为证实地面能观测到从轨道卫星上发送回来的光子，此研究小组从意大利马泰拉（Matera）激光测距天文台的望远镜向阿吉沙（Ajisai）人造卫星发射出一束普通的激光。
阿吉沙（Ajisai）人造卫星由318面镜片组成，从精确的镜片上反弹回来的单批光子成功地回到了此天文台。
参与此项研究的奥地利维也纳的量子光学和量子信息研究所著名量子物理学家安顿-宰林格（AntonZeilinger）认为太空至地球的量子通信是一项可行技术。
宰林格正在打造一个人造卫星，用于产生纠缠光子，接收信息并对信息编码，之后再将编码的信息反射回来，以建立全球量子通信网络。
量子通信走进日常生活——中科大建成世界首个全通型量子通信网络
量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，而且逐渐走进人们的日常生活。
为了让量子通信从理论走到现实,从上世纪90年代开始,国内外科学家做了大量的研究工作。
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，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。
我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科技大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。
2003年,韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案,彻底解决了真实系统和现有技术条件下量子通信的安全速率随距离增加而严重下降的问题。
2006年夏,我国中国科技大学教授潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学—维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验，由此打开了量子通信走向应用的大门。
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。
全通型量子通信网络是一个5节点的星型量子通信网络，克服了量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化的主要技术障碍，首次实现了两两用户间同时进行通信，互不影响。
该网络用户间的距离可达20公里，可以覆盖一个中型城市；
容纳了互联互通和可信中继两种重要的量子通信组网方式，并实现了上级用户对下级用户的通信授权管理。
该成果首次全面展示和检验了量子通信系统组网和扩展的能力，标志着大规模可扩展网络量子通信技术的成熟，将量子通信实用化和产业化进程又向前推进了一大步。
据称，潘建伟团队将与中国电子科技集团公司第38研究所等机构合作，在合肥市及周边地区启动建设一个40节点量子通信网络示范工程，为量子通信的大规模应用积累工程经验。
超光速信息传输的梦想
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。
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。
过去的很多科学实验已经证明了量子纠缠现象的存在，那么量子纠缠现象中远距离粒子之间的相互影响是如何产生的呢？
科学家们解释说，纠缠态的物体释放出某种隐藏的高速信号，从而对其伙伴产生影响，实际上，已有实验证实了隐藏信号的存在，而且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。
但遗憾的是，这个超光速的量子信息是如何传递的、背后有什么更深奥的物理原理等问题，科学家们到现在没有弄清楚，人类要实现超光速的传输还需要继续不断的探索！
这也正是量子通信未来最值得我们期待的发展方向之一！
玻尔与爱因斯坦的世纪论战——物理学灵魂的论战
二十世纪20年代后期开始，量子力学的物理诠释以及相与俱来的科学哲学问题，引起了一场史无前例的科学大论战。
这场思想和理论的“世界大战”，已经持续了70年，至今仍毫无平息的迹象。
这场深刻的科学和哲学问题争论，是科学发展史上的重大事件，而本世纪两位最伟大的科学巨人——爱因斯坦和玻尔之间的激烈交锋，则是其中最主要的和最有代表性的部分。
第一回论战
1927年10月在布鲁塞尔召开了第五届索尔威会议。
会议的议题是“电子与光子”，企图解决“经典理论与量子理论之间的矛盾”。
包括爱因斯坦、玻尔、薛定谔、玻恩、德布罗意、海森堡、洛伦兹、康普顿等在内的世界最著名的科学家出席了这次会议。
在会上，玻尔首先作了发言，阐述互补原理和对量子力学的诠释。
由于爱因斯坦一直对量子力学的统计解释感到不满，他曾在半年多以前（1926年12月4日）写信给玻尔道：
“量子力学固然是堂皇的。
可是有一种内在的声音告诉我，它还不是那真实的东西。
这理论说得很多，但是一点也没有真正使我们更接近这个‘恶魔’的秘密。
我无论如何深信上帝不是在掷骰子。
”所以人们都急切地期待着爱因斯坦对玻尔观点的反应。
本世纪两位最伟大的科学巨人之间一场达几十年之久的争论即将拉开序幕。
第五届索尔威会议开得异常热烈，在德布罗意、薛定谔发言后，玻尔和海森堡认为量子力学是一个完备的理论；
它的基本的物理和数学假设是不容许加以进一步修改的。
这无疑是对不同的观点提出挑战。
后来，会议主席洛伦兹要求玻尔发言，谈谈他的看法。
玻尔重复了互补原理和对量子力学的诠释。
会议开始讨论玻尔的观点。
由于爱因斯坦仍保持沉默，玻恩急切想听到爱因斯坦的意见，就站了起来，点名请爱因斯坦发表看法。
直到这时，爱因斯坦才起来发言，表示赞同量子力学的系统几率解释，而不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点。
在当时的与会者大多数都赞成量子力学的几率解释的情况下，爱因斯坦的发言无异是向水中抛下了一块巨石，立即掀起了层层波浪。
整个会场沸腾了，十多位科学家一边用好几种语言叫嚷着要求发言，一边迫不及待地和周围的科学家交换意见。
会场一片嘈杂，尽管会议主席洛伦兹用手拍着桌子叫大家安静下来，但无济于事。
于是埃伦菲斯特跑到讲台前，在黑板上写下了圣经上的一句名言：
“上帝真的使人们的语言混杂起来了！
”这句话指的是混杂的语言妨碍了建筑巴比伦塔的典故。
正在混战的物理学家们望了望黑板，突然意识到了这个典故是指他们时，不禁哄堂大笑。
洛伦兹于是宣布，会议从晚间起改成小组讨论。
无论是玻尔还是爱因斯坦，在会前就预感到他们之间必然会发生一场争论。
双方都作了充分的准备。
在会上，虽然两人都非常尊重自己的对手，尽量采用一些客气的语句和彬彬有礼的态度，但是，两人一正面交锋，就火药味十足，充分暴露出问题的尖锐性。
在讨论中，玻尔极力想把爱因斯坦争取过来。
他尽量提醒爱因斯坦：
难道不正是你第一个自觉地突破了经典物理学的框架，提出了相对论和光量子理论吗？
难道不正是你在1905年第一次提出了光的波粒二象性思想吗？
难道不正是你把几率概念引进了对辐射问题的解释之中吗？
难道不正是你......最后，难道在现代物理学中奠定了这样基础的人不应当在这种基础上接受更新的量子力学观点，把理论更向前推进一步吗？
但是爱因斯坦根本不听这一套，他坚信“有一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切自然科学的基础。
”因此，他对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满，认为这是由于量子力学主要的描述方式不完备所造成的，从而限制了我们对客观世界的完备认识，因此只能得出不确定的结果。
他采取的策略是试用一个思想实验来驳倒测不准关系，从而揭示出量子力学统计解释内在逻辑上的矛盾。
因为他知道互补原理的哲学味太浓，一下难以否定，但与它等价的测不准关系是一个数学表达式，既然海森堡是用思想实验来说明这个关系式的，何不也用一个思想实验来反驳呢？
首先，他设计了一个让电子通过单狭缝衍射的实验，认为这个实验有可能提供一个精确的时空标示，同时又能提供对此过程中能量和动量交换平衡的详细说明。
但是，玻尔很快指出，他不能避免在测量时仪器对电子不可控制的相互作用，即电子与狭缝边缘的相互作用，并认为必须考虑仪器自身的不确定性，这对于分析思想实验问题是十分重要的。
后来，玻尔和罗森菲尔德把这一方法应用到分析场的可测性问题，从而确定了量子场论的无矛盾条件。
爱因斯坦看单狭缝不能难倒玻尔，第二天又想出了一个类似当年托马斯·
扬所做的双狭缝干涉实验。
玻尔面对爱因斯坦的难题，毫不退缩，经过仔细思考，就势画了一个可操作的思想实验示意图，通过计算表明，爱因斯坦用来反驳互补原理的思想实验反而变成了用互补原理说明波粒二象性的标准范例。
据海森堡后来回忆，这样的讨论往往从早上开始，爱因斯坦在吃早饭时告诉玻尔等人他夜里想出来的新思想实验。
并根据他的解释来否定测不准关系。
玻尔等人就立即开始分析，在前往会议室的路上，就对这个问题做出了初步的说明，到会上再详细讨论。
结果总是在吃晚饭的时候，玻尔就能给爱因斯坦证明，他的实验是驳不倒测不准关系的。
爱因斯坦很不安，第二天又提出一个新的思想实验，比前一个更复杂。
当然，结果还是以爱因斯坦的失败告终，如此数日。
这样，甚至使得过去一些对哥本哈根解释持怀疑态度的科学家，比如德布罗意也改变了自己的观点，转到玻尔的立场上来了。
玻尔认为他已经成功地证实了自己的观点，但爱因斯坦并不因为自己接二连三的失败而改变看法。
因为几率概念起源于人们对赌博掷骰子的研究，所以他开玩笑地对玻尔等人说：
难道你们真的相信上帝也会掷骰子来行使他的权利吗？
玻尔也客气地回敬道：
当你用普遍的言语来描述神的旨意时，你难道不认为应当小心一点吗？
这句话暗示了根据传统的哲学观点和日常的习惯语言是无法确切描述量子现象的。
尽管如此，玻尔还是十分尊重爱因斯坦的这些挑战。
他认为，“爱因斯坦的关怀和批评是很有价值的，促使我们大家再度检验和描述原子现象有关的各种理论。
对于我来说，这是一种很受欢迎的刺激，迫使我进一步澄清测量仪器所起的作用。
”在会议期间，玻尔等人后来差不多花了整整一夜时间，试图自己设想出一种能充分驳倒测不准关系的思想实验。
玻尔个人就设想了二三种这样的实验。
但无论设想出什么实验装置；
只要一进行深入分析，就会发现它最终依然要服从测不准关系。
第五届索尔威会议结束了。
在本世纪两位科学巨人论战的第一个回合中，玻尔成功地守住了自己的阵地，但爱因斯坦并没有服输，他在1928年5月31日致薛定谔的信中说：
“玻尔、海森堡的绥靖哲学——或绥靖宗教——是如此精心策划的，使它得以向那些信徒暂时提供了一个舒适的软枕。
那种人不是那么容易从这个软枕上惊醒的，那就让他们躺着吧。
第二回论战
1929年，在《自然科学》周刊献给普朗克的专号上，玻尔写了一篇题为“作用量子和自然的描述”的文章，从三个不同的方面，把他的方法与爱因斯坦的相对论作了比较，希望以此来改变爱因斯坦的观点。
他认为普朗克发现作用量子，使我们面临着一种与发现光速的有限性的一样的形势。
正如在宏观力学中，由于速度小，使我们能把时间概念和空间概念截然分开一样，普朗克作用量子很小这一事实，也使我们在通常的宏观现象中，能对时空和因果关系同时做出描述。
但在微观现象中，如同在高速情况下必须考虑观察的相对性一样，也不能忽略测量结果的互补性。
测不准关系的限制保证了量子力学逻辑无矛盾性，也如同信号不能超越光速传递来保证相对论的逻辑无矛盾性一样。
他像海森堡一样认为，由于爱因斯坦否定牛顿的绝对时间是因为没有任何关于绝对同时性的实验操作，所以，量子力学的共轭变量之间的测不准关系，也基于在任意的精确度上不可能对这些变量进行同时的测量。
有人在这篇文章发表后去访问爱国斯坦，并向他指出，海森堡和玻尔所用的方法就是爱因斯坦1905年发明的。
这时，爱因斯坦风趣地回答道：
一个好的笑话是不宜重复太多的。
但是玻尔的文章启发了爱因斯坦，使他想到，为什么不拿出自己的看家本领，用相对论来反驳玻尔呢？
于是他作了充分的准备。
1930年秋天，第六届索尔威会议开幕了。
会议由郎之万任主席。
这次会议的主题是“物质的磁性”。
但是从物理学史和人类思想史的观点来看，关于量于力学基础问题的讨论显然在这次会议上形成了“喧宾夺主”之势。
各国的科学家怀着激动的心情，期待着两位巨人之间新一轮论战。
这次，爱因斯坦经过三年的深思熟虑，秣马厉兵，显得胸有成竹，一开始便先发制人。
他提出了著名的“光子箱”（又称“爱因斯坦光盒”）思想实验。
他提出用相对论的方法，来实现对单个电子同时进行时间和能量的准确测量。
如果这个方法可行，那么，即可宣告测不准关系破产，玻尔的工作和量子论的诠释将被推翻。
爱因斯坦沉着地在黑板上画了一个“光子箱”思想实验的草图，在一小盒子——光子箱中装有一定数量的放射性物质，下面放一只钟作为计时控制器，它能在某一时刻将盒子右上方的小洞打开，放出一个粒子（光子或电子），这样光子或电子跑出来的时间就能从计时钟上准确获知。
少了一个粒子，小盒的重量差则可由小盒左方的计量尺和下面的砝码准确地反映出来，根据爱因斯坦质能公式E＝mc2，重量（质量）的减少可以折合成能量的减少。
因此，放出一个粒子准确的时间和能量都能准确测得。
这与海森堡的不确定性原理完全相左，准确性和因果性再次获得了完整的表达。
爱因斯坦最后还着重表示，这一次实验根本不涉及观测仪器的问题，没有什么外来光线的碰撞可以改变粒子的运动。
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