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深入量子通讯

时间:2018-01-24

量子通信具有高效率和绝对安全等特点,是此刻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(Alain Aspect)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”(quantum entanglement)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(spooky action in a distance)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(Quantum Teleportation)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。