“墨子号”卫星中的量子通信技术

“墨子号”卫星中的量子通信技术

宋云鹤

【摘要】“墨子号”量子通信卫星的成功发射预示着我国在量子通信技术发展上取得了巨大成功。量子通信作为一种无条件安全性的新型信息通讯方式也渐渐走入了人们的视野。本文首先从“墨子号”卫星的发射探讨了量子卫星中所涉及的基础科学问题，然后介绍了我国量子通信技术的发展现状。相信在不久的将来，量子通信技术的发展将会对人们的生产生活带来极大的改变和积极影响。

【期刊名称】科学家

【年(卷),期】2017(005)002

【总页数】2

【关键词】量子；墨子号；量子通信卫星；量子通信

2016年8月16日凌晨1时40分，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”由我国酒泉卫星发射中心成功发射。全国人们为此欢呼雀跃，各大媒体也争相报道这一科研壮举。目前，我国已经成为世界上首个实现太空—地面量子通信的国家，然而对于普通人来说基于量子物理学发展而来的量子通信技术依然是晦涩难懂的深奥科学。那么，我们便基于量子卫星的发射来谈一谈量子卫星所涉及的基本科学问题。

1 量子卫星

1.1 量子卫星“墨子号”名称的由来

在我国古代，墨子先生不仅创立了墨家学说，更是在传世的《墨经》一书中提出了“光学八条”的理论。在“光学八条”中不仅描述了我国古代人民对光线

浅谈我国量子通信技术的发展现状及未来趋势

浅谈我国量子通信技术的发展现状及未来 趋势 量子通信具有超强安全性、超大信道容量、超高通信速率、超高隐蔽性等特点，其发展历经30余年，在理论上日益成熟，技术方案已逐渐从实验室走向了实用化，我国在量子通信技术领域也取得了丰硕成果。 【关键词】量子通信技术；发展现状；未来趋势 【Abstract】The quantum communication has the characteristics of super security，large channel capacity，super high communication speed and ultrahigh concealment. After 30 years of development，it has matured theoretically，and the technical scheme has gradually moved from the laboratory to the practical. Quantum communication technology has also achieved fruitful results. 【Key words】Quantum communication technology；Development status；Future trend 量子通信是利用量子纠缠效应改变量子态，从而实现信息传递的一种新型的通信方式，它是量子论和信息论相结合的新研究领域。量子通信具有超强安全性、超大信道容量、超高通信速率、超高隐蔽性等特点，其发展历经30余年，在理论上日益成熟，技术方案已逐渐从实验室走向了实用化，我国在量子通信技术领域也取得了丰硕成果。

基于团簇态的量子安全直接通信理论研究

基于团簇态的量子安全直接通信理论研究 量子安全直接通信是一种新颖的量子通信模式,其最大的特点是在量子信道中直接传输秘密信息,具有高安全性、高容量等优点。自2000年量子安全直接通信的概念被提出以来,量子安全直接通信得到了快速的发展。量子纠缠在量子安全直接通信中起着重要作用,根据量子纠缠的关联性和不可克隆性原理,利用不 同的纠缠态和不同的方法完成量子通信。团簇态拥有最大联通性和持续纠缠性,把团簇态用于量子通信在理论上无疑优越于其他的纠缠态,有利于确保量子通信、计算的有效性和正确性。 提出了一种基于四粒子团簇态的量子安全直接通信协议,实现了4比特秘密信息的传输。同时,恢复秘密信息时为解密出秘密信息又提出了一种对四粒子系统的一组测量基进行测量区分的方法,即把对4粒子测量基矢的区分转化为对2 粒子进行联合测量即可。安全性分析证明该协议可有效抵抗截获-重发攻击、截获-测量攻击、纠缠-测量攻击等。除去用于检测窃听的粒子,理想情况下,协议的量子比特效率接近于1。 该协议不需要对量子态进行纠缠交换等复杂操作,初态无需保密,减少了传 输过程的复杂性。提出了一种基于五粒子团簇态的量子安全直接通信协议,实现了5比特秘密信息的传输。同时,恢复秘密信息时为解密出秘密信息又提出了一种对五粒子系统的一组测量基进行测量区分的方法,即把对5粒子测量基矢的区分转化为对2粒子进行联合Bell基和对3粒子进行联合测量即可。安全性分析证明本协议是安全的。 利用四粒子团簇态的关联性建立量子信道,提出了一种高效的基于团簇态的可控量子安全直接通信协议。协议中量子信息载体以一定数量构成的块为单位来进行传输,而且除了用于检测窃听的,所有的粒子都被用于传递信息,利用一个四粒子团簇态可以传输4比特的秘密信息,协议量子比特效率较高,安全性分析证 明本协议是安全的。

空间量子通信技术

空间量子通信技术 陈彦，胡渝 （ 电子科技大学 物理电子学院，成都 610054 ） 摘要：利用卫星来分发单光子（或纠缠光子对）的方法为远程量子通信网络提供了一种独特的解决方案。这将克服现有的光纤和陆上自由空间链路所带来的距离限制，实现真正意义上的全球量子通信。本文对这种设想进行了分析，证明这种设想有很高可行性。 关键词：量子通信; 空间技术; 光子分发 中图分类号：TN929.11；0431.2 文献标识码：A Quantum Communications in Space CHEN Y an ，HU Yu （Institute of Physics and Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu，610054 ） Abstract：Using satellites to deliver single photon or entangled photon pairs is a unique solution to realize long-distance quantum communications networks. This solution is able to overcome the disadvantage of transmission distance when using fiber and terrestrial free space optical links. And global quantum communications may be realized in this way. A scheme of using satellite to deliver single photon or entangled photon pairs is described，and the possibility of the scheme is proved. Key words：quantum communications; Space technology; photon deliver 1 引言 量子通信具有“容量大、速度快、通讯保密性极强”的优点，可完成经典信息处理方法所不能完成的任务。利用量子通信可以建立无法破译的密钥系统，因此量子通信已经成为当今研究的热点。已经在标准光纤信道中，已经实现了距离超过100KM的量子密钥分配实验。同时，还在23km的自由空间信道中，实现了基于单光子的量子密钥分配[1]；在600m的自由空间中实现了基于纠缠光子对的量子密钥分配实验[2]。目前对量子通信的理论方案和实验研究，主要集中于利用光纤信道和点对点的陆地无线光信道。但光子在光纤和陆上自由空间信道中的传输距离只是局域性的，无法满足全球性的量子通信的需要。人们需要一种新的量子通信方案。 2 在空间中进行量子通信 单光子（纠缠光子对）的分发是实现量子通信的前提。当光子在光纤信道中传输时，其能量会随传输距离的增加而衰减，光子的偏振特性也会在传输过程当中发生变化；若利用陆上自由空间信道，则光子的能量会被大气信道吸收而衰减，同时链路的维持也会受到大气条件或陆上阻碍物的影响。因此，单光子在现在的硅光纤和陆上自由空间中的传输距离受到了限制，从而无法实现全球范围内的量子通信。而现在已得到广泛应用的卫星通信和空间技术却给全球性的量子通信提供了一种新的解决方案。它可以克服光纤和陆上自由空间链路的通信距离限制，极大地延伸量子通信的范围，实现真正意义上的全球性量子通信。 2.1 空间量子通信方案 按照单光子（纠缠光子对）发送者的不同，空间量子通信方案可分为地基和空基两种。下面分别介绍这两种方案。 2.1.1 地基（earth-based）方案 地基方案设想包括一个地基发射终端，该终端可以向地面站和卫星分发单光子，或者进行纠缠光子共享。这样就能在这些通信终端之间进行量子通信。其中最简单的情况，是一个地面终端与另外一个地面终端进行直接的通信，即陆上自由空间量子通信链路。如前所述，这种情况的通信距离有限。而由单个地面终端和单个卫星终端组成的上行链路，

量子卫星通信阅读附答案

量子卫星通信阅读附答案 导读：量子卫星通信阅读附答案 ①2016年8月16日，我国成功发射了世界上第一颗量子卫星﹣﹣“墨子”号。它的成功发射，把量子实验从地面搬上太空，从而构建一个天地一体化的量子保密通信和科学实验体系，这必将开创安全通信的新时代。 ②量子卫星之所以能保障通信安全可靠，是因为量子卫星让信息传递者和接受者交换令信息无法被破解的量子秘钥，而这个秘钥利用量子的奇异特性实现的，它是“量子纠缠”。 ③20世纪80年代初，法国科学家阿兰阿斯佩首次用实验证实了“量子纠缠”现象的存在。这里所说的量子纠缠，是指在两个处于“纠缠态”的微观粒子中，无论它们相距多么远，若对其中一个的特性进行任何修改，那么就像孙悟空和其分身“心有灵犀”一样，都会立即在另一个粒子上出现反应并做出相应改变。利用这种特性产生的量子密钥，就可以保证任何外人都无法破解通信密码。因为量子密钥一旦被截获或被测试，其状态就会立即发生改变。有人对此用“肥皂泡”作了形象的比喻：。 ④那么，天地之间是如何进行量子通信的呢?具体来说，先将量子信号从地面发射并穿透大气层，卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星，即量子卫星上;量子信号再从量子卫星上穿入大气层到达地球某个角落的指定接收地点。量子信号的携带者光子

在外层空间传播时几乎没有损耗，在技术上能实现纠缠光子在穿入大气层后仍然保持其纠缠特性，就可在量子卫星帮助下实现全球化量子通信。 ⑤“墨子”号量子卫星通过使用信息加密技术，使其可以在相距数千千米的通信者之间分发量子密钥。这颗卫星开始是在北京和乌鲁木齐之间分发量子密钥，然后还计划向奥地利发送量子密钥。它的预定目标是，在两年内利用卫星建立一个可靠、不会被破解的通信网络，并为建立全球量子通信网络奠定基础。 ⑥在量子卫星未发射之前，我国多家企业已将量子密钥分发技术投入市场，并在银行之间或政府机构之间建立了这类网络。但是这些光纤网络只能在数十千米的距离内发挥作用，再远就不行了。因为在地面传输信息时，光子通过空气和光纤时会被分散和吸收，从而对网络的干扰较大。有了量子卫星后，由于光子在太空中传播几乎没有损耗，因而量子卫星开展的量子通信实验距离为1200千米，远远超过了陆地上300千米的最远距离。 ⑦总之，量子卫星不仅是一种全新的加密通信手段，并将成为新一代信息网络安全解决方案的关键技术和日益普遍的电子服务安全 基石，成为保障未来信息社会的重要基础之一。 题目： 12.阅读全文，说说文章主要从哪些方面来介绍量子卫星的。(3分)

浅谈量子通信技术

题目浅谈量子通信技术课程现代通信技术基础班级 学号 姓名 指导老师 2011 年12月10日

浅谈量子通信技术 摘要：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。量子通讯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。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。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，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。 关键词语: 量子通信量子力学 1、引言 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。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，制造出原物完美的复制品。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。 2、量子通信的的提出 自1 9世纪进入通信时代以来,人们就梦想着像光速一样(甚至比光速更快)的通信方式.在这种通信方式下,信息的传递不再通过信息载体(如电磁波)的直接传输,也不再受通信双方之间空间距离的限制,而且不存在任何传输延时,它是一种真正的实时通信.科学家们试图利用量子非效应或量子效应来实现这种通信方式,这种通信方式被称为量子通信.与成熟的通信技术相比,量子通信具有巨大的优越性,已成为国内外研究的热点.近年来在理论和实践上均已取得了重要的突破,引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视.从人类信息交流

量子通信技术基于量子物理学的基本原理

关键词:量子通信安全性中国发展 摘要:用国际顶级量子专家王肇中教授的话说，量子通信就是单模光纤两端加上能代替常用光模块功能的、光量子态的发送和接收设备，实现基于物理加密的保密通信。 量子通信技术基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。为了拓展应用、与现有通信系统兼容以及大量减少成本，需对点对点的通信方式进行组网并充分利用经典通信设施。与此同时，量子克隆技术的出现也使得我们开始重新审视量子通信的安全性问题。量子通信是相对最安全的，但任何事情都不是绝对的，有矛就有盾。一方面有“量子非克隆原理”，另一方面有实现近似量子克隆的“量子克隆机”。怎样可靠地评估安全性？怎样进行攻击？是值得研讨的问题。在不久的将来，量子通信与经典通信的融合发展将会带来通信世界的新纪元。 例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0~127。光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的128次。可以想象如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的2，以及更高。 1. 欧洲联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立了SECOQC量子通信网络[8][9]。并于2008年10月在维也纳现场演示了一个基于商业网络的安全量子通信系统。该系统集成了多种量子密码手段，包含6个节点。其组网方式为在每个节点使用多个不同类型量子密钥分发的收发系统并利用可信中继进行联网。 息量子通信验证网”在北京开通，在世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。 2014年11月15日，团队研发的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，刷新世界纪录。 2. 应用与用途 潘建伟教授指出，量子通信技术的实际应用将分三步走：一是通过光纤实现城域量子通信网络；二是通过量子中继器实现城际量子通信网络；三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网络。 对市场角度来说，互联网本质上是一个不安全的网络，而量子通信在理论上的绝对保密特征，已经得到物理定理的证明，很显然在军事、国防、金融等领域有着广阔的应用前景。在大众商业市场，随着技术成熟，量子通信也将具有极大的发展潜力。 3.量子通信技术的发展趋势 4.不足 但量子通信本身，仍然处在研究阶段，还远远没有达到大规模商用化的水平，实用的量子通信网络其保密的绝对性还有待商榷。 量子通信面临四项难点：可扩展、强抗毁、广覆盖、立体化 子密钥分发在未来推广应用方面面临两大挑战：融合性和安全性。量子通信从量子力学的

量子科学实验

量子科学实验 一、背景及科学意义 根据国务院第105次常务会议审议通过的“中国科学院创新2020规划”,中国科学院启动实施系列战略性先导科技专项,量子科学实验卫星(以下称量子卫星)所属空间科学战略性先导科技专项是首批启动的先导专项之一。在2008年立项的中科院重大创新项目“空间尺度量子实验关键技术”的基础上,经过近一年的科学目标与有效载荷配置论证、工程立项综合论证,于2011年12月23日正式立项启动。 量子科学实验卫星工程将借助于卫星平台,一方面将在国际上首次实现千公里级的无条件安全的量子通信,促进广域乃至全球范围量子通信网络的最终实现;另一方面,将是国际上首次在宏观大尺度上对量子理论本身展开实验检验,在更深层次上为认识量子物理的基础科学问题、拓宽量子力学的研究方向做出重要贡献。量子科学实验卫星所发展起来的技术,还将为在空间尺度对广义相对论效应、量子引力等物理学基本原理的深入检验奠定基础,促进整个物理学的发展。 量子科学实验卫星总重量631公斤,将由“长征二号丁”运载火箭在酒泉卫星发射中心发射,运行于500公里太阳同步轨道,轨道倾角97.37°,设计在轨运行寿命2年。有效载荷有量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源及实验控制与处理机和高速相干激光通信机。卫星配置两套独立的有效载荷指向机构,通过姿控指向系统协同控制,可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路,光轴指向精度优于3.5urad。 二、科学目标 1、进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。 2、在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。 三、研制历程

量子通信技术发展现状及面临的问题研究_徐兵杰

doi：10．3969/j．issn．1002－0802．2014．05．001 量子通信技术发展现状及面临的问题研究 徐兵杰1，刘文林2，毛钧庆3，杨燕3 （1．保密通信实验室，四川成都610041；2．解放军95830部队，北京100093；3．解放军91746部队，北京102206） 摘要：量子通信具有更高的传输速率和更可靠的保密性，是世界各国正在研究和发展的通信技术热点之一。首先介绍量子通信技术的基本概念、发展历程、系统架构、特点优势，然后重点阐述国内外量子密钥分配、量子隐形传态、量子安全直接通信、量子机密共享等技术的研究进展情况，最后分析量子通信技术研究和发展过程中面临的困难及局限。 关键词：量子通信密钥分配隐形传态机密共享 中图分类号：TN91文献标志码：A文章编号：1002－0802（2014）05－0463－06 Ｒesearch on Development Status and Existing Problems of Quantum Communication Technology XU Bing－jie1，LIU Wen－lin2，MAO Jun－qing3，YANG yan3 （1．Science and Technology on Communication Security Laboratory，Chengdu Sichuan610041，China； 2．Unit95830of PLA，Beijing100093，China；3．Unit91746of PLA，Beijing102206，China）Abstract：Quantum communication is a new communication technology under research and development，which possesses higher transmission rate and reliable secure communication advantages．This paper intro-duces the concepts，development，system architecture，features and advantages of quantum communication technologies firstly．Then it focuses on demonstrating the technology research progress of quantum commu-nication，such as quantum key distribution，teleportation，secure direct communication and secret sharing．Finally，the research and development difficulties of quantum communication technology and limitations are analyzed in this paper． Key words：quantum communication；key distribution；teleportation；secret sharing 0引言 量子通信基于量子力学原理，将微观世界的物质特性运用到通信技术上，在高速传输和高可靠保密通信方面具有优势，成为当今通信技术领域的研究热点之一。世界各国纷纷投入大量的人力和物力进行研究和开发，在理论研究和实验技术上均取得了重大突破。 1量子通信技术 1．1基本概念 量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术，由量子论和信息论相结合而产生［1］。从物理学角度看，量子通信是在物理极限下利用量子效应现象完成的高性能通信，从物理原理上确保通信的绝对安全，解决了通信技术无法解决的问题，是一种全新的通信方式［2］。从信息学角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子隐形传输等量子特性，借助量子测量的方法实现两地之间的信息数据传输。量子通信中传输的不是经典信息，而是量子态携带的量子信息，是未来通信技术的重要发展方向。 1．2发展历程 量子通信的研究发展起步于20世纪80年代［3］。1969年，美国哥伦比亚大学Wiesner提出采用量子力学理论保护信息安全的设想。1979年，美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard提出了将Wiesner的设想用于通信传输的 第47卷第5期2014年5月 通信技术 Communications Technology Vol．47No．5 May．2014

《关于量子通信》非连续文本阅读练习及答案

阅读下面的文字，完成7～9题。 材料一： 日前，中国科学院在京召开新闻发布会对外宣布，“墨子号”量子科学实验卫星提前并圆满实现全部既定科学目标，为我国在未来继续引领世界量子通信研究奠定了坚实的基础。 通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存着着被破译的可能性，随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。中国科学技术大学潘建伟教授说：“通过量子通信可以解决这个问题，把量子物理与信息技术相结合，用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，从而在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈。” 量子通信主要研究内容包括量子密钥分发和量子隐形传态。量于密钥分发通过量子 态的传输，使遥远两地的用户可以共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次 一密的严格加密。这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式，量子通信的另一重要内客量子隐形传态，是利用量子纠缠特性，将物质的未知量子 态精确传递到遥远地点，而不用传递物质本身，通过隐形传输实现信息传递。（摘 编自吴月辉《“墨子号”，抢占量子科技创新制高点），《人民日报》2017年8月10日） 材料二： 潘建伟的导师安东·蔡林格说，潘建伟的团队在量子互联网的发展方面冲到了领先地位。量子互联网是由卫星和地面设备构成的能够在全球范围分享量子信息的网络。这将使不可破解的全球加密通信成为可能，同时也使我们可以开展一些新的控制远距离量子联系的实验。目前，潘建伟的团队计划发射第二颗卫星，他们还在中国的天宫二号空间站上进行着一项太空量子实验。潘建伟说，未来五年“还会取得很多精彩的成果，一个新的时代已经到来”。 潘建伟是一个有着无穷热情的乐观主义者。他低调地表达了自己的信心，称中国政府将会支持下一个宏伟计划——一项投资20亿美元的量子通信、量子计量和量子计算的五年计划，与此形成对照的是欧洲2016年宣布的旗舰项目，投资额为12亿美元。 （摘编自伊丽莎白·吉布尼《一位把量子通信带到太空又带回地球的物理学家》，《自然》2017年12月） 材料三： 日本《读卖新闻》5月2日报道：中国实验设施瞄准一流（记者：莳田一彦，船越翔）在中国南部广东省东莞市郊外的丘陵地带，中国刚刚建成了大型实施设施“中国散裂中子

量子通信技术发展中存在的问题分析

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/9015105258.html, 量子通信技术发展中存在的问题分析 作者：刘冬 来源：《中国新通信》2017年第01期 【摘要】量子通信是指用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式，是量子理论 和信息论相结合的新的研究领域，是近20年发展起来的新型交叉学科，目前这门学科已逐步从理论实验走向实用化。英国《自然》杂志曾指出我国量子通信技术发展迅速是一支世界劲旅，我国在为量子通信技术研究硕果欣喜的同时也发现它在实用发展中存在诸多问题。本文从量子通信技术发展中存在的弱相干光源安全性问题、通信技术发展中存在的光子源产生单光子效率低问题两方面进行了浅析。 【关键词】量子通信发展存在问题现状分析 20世纪80年代是量子通信技术研究的开启性时代，其实从历史角度看量子通信技术的研究要早于这个时间，早在20世纪70年代威斯纳已经写出了“共轭编码”这篇著名文章。量子通信技术是在量子力学快速发展的前提下发展的新领域，它在信息传递方面存在很大优势已成为目前研究的热点。但是随着通信技术的快速发展，也存住诸多问题。 一、量子通信技术发展中存在的弱相干光源安全性问题分析 根据量子通信技术研究表明量子通信是利用了光子等粒子的量子纠缠原理，量子纠缠是指在微观世界里两个粒子间的距离不论有多远，一个粒子的变化会影响另一个粒子变化的一种现象。因此，量子通信技术离不开光源技术。由于单光子源技术难度太高，我国量子通信技术一般采用弱相干光源技术，但是这种光源在实用发展中存在诸多安全性问题。 1、量子通信技术发展中存在的单光子分离攻击问题。光子是光最小的单位，单光子是不可再分的。但是我国通信技术使用的弱相干光源技术，它的脉冲中不止一种光子，在理论上这种脉冲中所包括的光子是可以再进行分割的。量子通信系统的基本部件由量子态发生器、量子通道和量子测量装置三部分组成，主要涉及量子密码通信、量子远程传态、量子密码编码等，按量子通信所传输的信息是经典还是量子分为两大类，它的基本思想是将原物信息分成经典和量子两种信息，分别经由经典通道和量子通道传递给接受者，在传递过程中量子通信的通道损耗非常大。对于单光子源技术来讲，即使通道损耗再大也是安全的，因为单光子不可再分割。但对弱相干光源来讲就会存在安全隐患，窃听者可以通过光子分离攻击假冒量子通信技术的通道而获得全部密码，并且不会被量子通信技术发现。 2、量子通信技术发展中存在的木马攻击和侧信道攻击问题分析。量子密码编码是量子通信技术使用中主要涉及部分之一，木马攻击就是利用量子密码信号源和接收器等部件的设计漏洞进行攻击，有效窃取量子通信技术里的量子保密系统的内部信息。这种窃取信息的方法主要有侧信道攻击、光能部件高能破坏攻击和大脉冲攻击等。[1]

量子通信简介

量子通信 一．经典通信系统模型 经典通信系统可以用下图所示的模型描述。 信源（Information source）：指产生消息的源泉。信息总是一个物理系统，其形态随空间坐标或时间变化。 空间信源(space source)：系统随时间改变形态，它生产在空间传输的信号，这样的物理系统称为空间信源。 时间信源(time source)：系统空间各部分有不随时间变化的不同的分布，它可能引起信号在时间中传输，这样的系统称为时间信源。编码(Encoding)：对信源进行处理，以提高信源传输的有效性和可靠性。 信道(Channel)：传输消息的媒介称为信道。 噪声(Noise):在传输过程中，由于干扰使编码的物态发生畸变。引起编码物理态畸变的各种因素称为噪声。 译码(Decoding)：由信道输出物态恢复信源输出的消息的过程叫译码。 信宿(Destination)：是消息传输的归宿和的地，即接收消息的人或仪器。

量子信息通信简介 量子信息科学是物理学与信息科学交叉融合产生的新兴学科领域，涉及物理、计算机、通信、数学等多个学科，对带动这些学科的发展具有重要意义。量子信息学为未来信息科学的革命性变革提供了可靠的物理基础。量子信息技术在运算速度、信息安全、信息容量等方面可突破传统信息系统的极限。 一．量子信息通信物理基础 1. 量子位（Quantum Bit: qubit ） 在经典信息理论中，信息量的基本单位是比特(bit)，一个比特是给 出经典二值系统一个取值的信息量. 例如，{0,1} 在量子信息理论中，量子信息的基本单位是量子比特(qubit)。一个 qubit 是一个双态量子系统，即两个线性独立的态，常记为：|0>和 |1>。以这两个独立态为基矢，张成一个二维复矢量空间，即二维Hilbert 空间。 量子位的物理载体： 光子： ()()>+>->=>+>>=y i x L y i x R ||21 | ,||21 | |R>: 右圆极化偏振光， |L>： 左圆极化偏振光。 自旋1/2的粒子： |0＞，|1＞ 二能级原子： |g ＞，|e ＞ 迭加态： >+>>=1|0||b a ψ |a|2, |b|2分别为测量时得到|0>,|1>的几率。 n 个qubit 态：张成一个2n 的Hilbert 空间，有2n 个相互正交的态：>i | ， i 是一个n 位二进制数。 例如：3个量子位有8个量子态： |0>, |1>, |2>, |3>, |4>, |5>, |6>, |7> |000>, |001>, |010>, |011>, |100>, |101>, |110>, |111>

量子卫星 quantum satellite

量子卫星quantum satellite China launched the world's first quantum experiment satellite on Tuesday, taking a big step in building a space-based quantum communication network that would be virtually uncrackable. 8月16日，中国发射了世界首颗量子实验卫星，朝着建立一个防破解的空间量子通信网络迈进了一大步。 The satellite has been named "Micius" after a 5th century B.C. Chinese philosopher and scientist who is credited as being the first person in history to conduct optical experiments. 这颗卫星以公元前5世纪我国著名的哲学家和科学家墨子的名字命名，墨子被誉为历史上进行光学试验的第一人。 开个小差，古代各位贤达的英文名你们都记得吗？孔子（Confucius）、孟子（Mencius）、老子（Lao Tzu）、墨子（Micius）、庄子（Chuang Tzu）。 量子卫星（quantum satellite）的真正身份仍然是通信卫星（communications satellite），唯一不同的是，它是一颗靠量子来传递信息的通信卫星，可以向外发射量子。从500公里开外的太空向地面的实验站发射光量子，这是史无前例、世界首次。 量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一， 其主要科学目标是进行四大实验任务： 星地高速量子密钥分发实验（experiment on high-speed quantum key distribution from space to earth） 广域量子通信网络实验(wide-area quantum communications network experiment) 星地量子纠缠分发实验(experiment on distribution of quantum entanglement from space to earth) 地星量子隐形传态实验(experiment on quantum teleportation from earth to space) 量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。因为量子通信的密码不是预先设

量子通信简介以及原理

量?通信简介以及原理 中国科学家?前曾经创造了97公?的量?远距离传输世界纪录，引起轰动，不过?江后浪推前浪。新浪科技援引美国物理学家组织?的报道称，维也纳?学和奥地利科学院的物理学家凭借143公?的成绩再创了新?，朝着基于卫星的量?通讯之路迈出了重要?步。 实验中，奥地利物理学家安东-泽林格领导的??国际?组成功在加那利群岛的两个岛屿——拉帕尔玛岛和特纳利夫岛间实现量?态传输，距离达到143公?，?中国的远了46公?之多。 其实，打破传输距离并不是科学家的?要?标。这项实验为?个全球性信息?络打下了基础，在这个?络，量?机械效应能够?幅提?信息交换的安全性，进?确定计算的效率也要远远超过传统技术。在这样?个未来的“量?互联?”，量?远距传输将成为量?计算机之间信息传送的?个关键协议。 在量?远距传输实验中，两点之间的量?态交换理论上可以在相当远的距离内实现，即使接收者的位置未知也是如此。量?态交换可以?于信息传输或者作为未来量?计算机的?种操作。在这些应?中，量?态编码的光?必须能够传输相当?距离，同时不破坏脆弱的量?态。奥地利物理学家进?的实验让量?远距传输的距离超过100公?，开辟了?个新疆界。 参与这项实验的??松(Xiao-song Ma?译)表?：“让量?远距传输的距离达到143公?是?项巨?的技术挑战。”传输过程中，光?必须直接穿过两座岛屿之间的湍流??。由于两岛之间的距离达到143公?，会严重削弱信号，使?光纤显然不适合量?远距传输实验。 为了实现这个?标，科学家必须进??系列技术?新。德国加尔兴?克斯-普朗克量?光学研究所的?个理论组以及加拿?沃特卢?学的?个实验组为这项实验提供了?持。??松表?：“借助于?项被称之为‘主动前馈’的技术，我们成功完成了远距传输，这是?项巨?突破。主动前馈?于传输距离如此远的实验还是第?次。它帮助我们将传输速度提??倍。”在主动前馈协议中，常规数据连同量?信息?同传输，允许接收者以更?的效率破译传输的信号。 泽林格表?：“我们的实验展?了当前量?技术的成熟程度以及拥有怎样的实际?途。第?个?标是基于卫星的量?远距传输，实现全球范围内的量?通讯。我们在这条道路上向前迈出了重要?步。我们将在?项国际合作中运?我们掌握的技术，中国科学院的同?也会参与这项合作。我们的?标是实施?项量?卫星任务。” 2002年以来就与泽林格进?量?远距传输实验的鲁珀特-乌尔森指出：“我们的实验取得了令??舞的成果，为未来地球与卫星之间或者卫星之间的信号传输实验奠定良好基础。”处在低地球轨道的卫星距地?200到1200公?。(国际空间站距地??约400公?)乌尔森说：“在从拉帕尔玛岛传输到特纳利夫岛，穿过两岛间??过程中，我们的信号减弱了?约1000倍。不过，我们还是成功完成了这项量?远距传输实验。在基于卫星的实验中，传输数据更远，但信号穿过的??也更少。我们为这种实验奠定了?个很好的基础。”[2]

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。这一点被认为是成为独立大陆的 最后一个必要条件。据此，他们呼吁国际社会，承认这块大陆为世界第八个大洲，并且沿用“西兰蒂亚”这个20多年 前就已经提出来的名字。—《科学家宣称发现世界第八块大陆具备大陆所需特征》（央广网，2017-02-18)荫人们往往会认为，“在水面之上”才是定义“大陆”的关键性条件，不过这群研究者重新调整了大陆的“准入条件”，主 要有四个方面：高于它周边的地理区域；存在大范围的硅酸火成岩、变质岩和沉淀岩；其地壳相比通常意义上大洋地 壳要更厚，而且有着更低的地震波速;要有一块面积足够大的，能和大陆群岛、大陆碎块，或者碎条的集合有清晰边 界区隔的区域。这份研究报告指出，前三点是教科书对大陆的经典定义，而第四点则学界研究较少或者仍有争议。 —《某地质学家团队宣称Zealandia符合“大陆”的新定义》（观察者，2017-02-17) 量子通信 量子通信(quantum com m unication)是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种通信方式，是量子论和 信息论相结合的新的研究领域，主要涉及量子密钥分配、量子隐形传态和量子密集编码等技术。量子通信 因其高效、安全的信息传输特性而成为量子物理和信息科学的研究热点。从1993年量子通信概念和量子 隐形传送方案的提出，到1997年未知量子态远程传输的首次实现，到2006年超100公里诱骗态量子密钥 分发实验的成功，再到2009年实时语音量子保密通信的告捷,量子通信正从理论步人实验，迈向实际应用。而2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星一中国的“墨子号”成功发射，将助力于中国广域量子 通信网络的构建,国人为之振奋，“量子通信”再次成为媒体报道的焦点。 荫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——以实验驳倒爱因斯坦》（中国科普网，2013-05-21) 79

2017高考物理 量子卫星墨子号

2017高考物理量子卫星墨子号 编者按：北京时间8月16日凌晨1点40分，我国发射世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”并取得圆满成功，关于量子卫星和量子通信，权威解读在此。 20世纪初，普朗克、爱因斯坦、玻尔开创了量子物理学研究。随后，海森堡、薛定谔、狄拉克等物理学家建立了量子力学。从此，量子物理学沿着两条路深刻地推动着人类文明发展。 一条路是“自上而下”的，即不断深入微观世界探索基本粒子。我们经常听到的“高能物理（即粒子物理）”、“大统一理论”、“大型强子对撞机”等等就是来自这个领域。 另一条路是“自下而上”的，就是认识身边的各种物质背后的量子力学规律，并在此基础上发展各种高新技术来改变世界。我们经常听到的“凝聚态物理”、“半导体”、“激光”、“超导体”、“纳米材料”等等就来自这个方向。 这条“自下而上”的路曾经通过半导体技术和激光技术催生了 第一次信息革命，使我们今天能便捷地使用各种计算机，智能手机，光纤通讯和整个互联网。 不过，尽管我们必须用量子力学才能理解半导体和激光的本质与工作原理，但这次信息革命仍然是属于“经典信息”的革命，我们处理的还是经典的二进制信息（即0或1，经典比特），信息传输和计算都基于经典物理学。

而随着量子信息的诞生，这一条路逐渐发展到了一个全新的阶段，正在催生着第二次信息革命，即一次完全属于量子物理学的量子信息革命。 量子信息包括量子通信和量子计算，即信息传输和计算都将直接植根于量子物理学。其中量子通信作为排头兵，走在了这次信息革命的最前面，成为它的第一个突破点。

量子通信按照应用场景和所传输的比特类型可分为“量子密钥分配”和“量子态传输”两个方向。 量子比特： 传统的信息技术扎根于经典物理学，一个比特在特定时刻只有特定的状态，要么0，要么1，所有的计算都按照经典的物理学规律进行。 量子信息扎根于量子物理学，一个量子比特（qubit）就是0和1的叠加态。相比于一个经典比特只有0和1两个值，一个量子比特的值有无限个。直观来看就是把0和1当成两个向量，一个量子比特可以是0和1这两个向量的所有可能的组合。 图1. 表示量子比特的Bloch球，球面代表了一个量子比特所有可能的取值。 但是需要指出的是，一个量子比特只含有零个经典比特的信息。因为一个经典比特是0或1，即两个向量。而一个量子比特只是一个向量（0和1的向量合成），就好比一个经典比特只能取0，或者只能取1，信息量是零个比特。

量子通信技术的应用

量子通信技术的应用 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。量子是不可分的最小能量单位，“光量子”即为光的最小能量单位。在量子世界中，存在着一种“纠缠”效应，所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。这种“纠缠”效应能够在两个完全相同的某量子态粒子之间建立某种联系，当其中一个的状态发生变化时，另一个也会发生相同的变化，而且这种变化与时间和空间无关。另外由于对粒子的任何测量都会导致其量子态的变化，所以同时这种变化时不可能被第三者所知获的。利用量子的纠缠效应，我们可以进行绝密和瞬时的通信。 具有两个偏振方向的光子可以认为是一个双态系统。这两个状态可以分别对应目前使用的数据通信中的“0”和“1”。这里以一个简单的双态系统为例，对于处于纠缠态的两个粒子，一旦对其中一个粒子进行测量，确定了它的状态，那么就可以立即获得另一个粒子所处的状态，这一特性称为量子隐形传态。要想实现量子通信，首先需要通信终端共享成对缠结在一起的相同粒子(即纠缠粒子对)，然后对量子态进行信息处理，只要一个粒子的量子态变化，必然影响到另一个与之处于纠缠态的粒子。量子态是信息的载体，只要完成对粒子的量子态的操纵，就可以实现量子信息的传输。 量子通信是通信技术上的又一次划时代革命，具有广泛的应用前景。首先，量子通信可以满足空间远距离、大容量、易组网等方面的要求，量子通信可以用来构筑高速、大容量的通信网络，实现高清晰度图像等大容量超高速数据的传输，为建立量子因特网奠定了坚实的基础。量子通信的传输速率理论上可以与粒子的震动频率相等，这意味着其传输速率可以达到万亿Gbit/s，这对于解决目前的通信带宽瓶颈有着重要的意义。在经典信息论中，传输速率和带宽需要满足香农公式，而信噪比不可能达到无限大，故而传输的速率一定会受到带宽的制约。量子通信突破了香农公式的制约，将带宽和传输速率提高到无限。 其次量子通信可以实现完全保密通信，这使得量子通信在军事、国防、国民经济建设等领域都有重要作用。在目前的通信模式中，就连保密性最高的光纤通信，也存在被窃听的可能性。由于量子纠缠效应严格的应用条件，任何窃听的尝