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远距离量子通信

张军  
【摘要】: 20世纪最主要的革命性科学成果包括:相对论、量子力学、信息论。从20世纪80年代开始,由量子力学和信息科学相结合诞生了一门崭新的学科-量子信息学,主要包括量子通信和量子计算。由于其潜在的应用价值和重大的科学意义,近些年来量子信息学引起了科学界和工程界极大的关注。 经典计算机中信息处理的最基本单元是比特即二进制数0或1,而由于量子力学的线性叠加原理使得量子计算机可以同时处理0和1的任意相干叠加态即qubit。这种并行处理极大地提高了计算速度,可以把一些经典计算中无法计算的NP问题即问题的复杂度随着比特位数的增长而指数上升,变成P问题即问题的复杂度随着比特位数的增长以多项式上升。1994年,Bell实验室的Peter Shor证明量子计算机可以有效解决经典计算机所不能解决的大数因子分解问题,而这恰恰是目前经典密码的安全性基础。所以,Shor量子算法的发现使得当前密码系统毫无保密性可言,对军事、政府、国家安全、金融等领域构成了极大的威胁。 幸运的是,量子信息学同样提供了一种安全的通信方式,通常称之为“量子密码”,或量子密钥分发,量子力学基本定理之一的不可克隆定理保证了量子密码的无条件安全性。1984年,IBM公司的Charles Bennett和加拿大Montreal大学的Giltes Brassard提出第一个量子密钥分发协议-BB84协议并在1992年完成了第一个量子密码实验演示。此后,尤其是Shor算法提出以后,由于量子信息领域的重要性,各国政府及研究部门对此均十分重视,所以整个领域理论和实验方向均得到了高速的发展。而量子密码作为量子通信的最重要的分支,已经开始走向实用化,甚至已经有公司开发了量子密码的商用产品。 除了量子密码,量子通信的其他研究内容有:单光子源、纠缠源、通信复杂性、量子态隐形传输、密集编码、纠缠交换、纠缠纯化、量子中继器、纠缠同步、量子存储、比特承诺、密钥共享、多方通信、远程克隆等等。而在所有的量子信息研究中,量子纠缠作为核心资源扮演着极其重要的作用。量子纠缠的物理思想最初来自于1935年Einstein等人对量子力学完备性的质疑(EPR佯缪)。虽然到目前为止,量子纠缠的本质还没有彻底的弄清楚,但是这并不妨碍它的应用。一方面,它可以用来检验量子力学的基本问题如Bell不等式等,进一步认识量子非定域性等经典物理不可能产生的现象。另一方面,它可以应用于量子信息研究。 一般地,量子通信的信源主要采用单光子源或纠缠源,而量子信道主要有自由空间信道和光纤信道。在本论文中,我们将主要讨论远距离量子通信的实验研究,包括超过13km自由空间纠缠分发、基于极化编码的102km诱骗态量子密钥分发、一种无共享参考系的量子通信等。除此之外,我们还将介绍利用多光子纠缠降低多方通信中通信复杂性的实验演示,以及利用两光子高维纠缠态实验验证一种All-Versus-Nothing型的局域实在违背。 由于当前种种技术上的限制,光纤量子通信的最大距离受到限制,而要实现远距离量子通信,主要有两种方案。第一种方案是鼍子中继器方案,即把通信双方的信道分成N段,在每一段分别产生纠缠,通过纠缠交换使得在相邻两段间建立纠缠并通过纠缠纯化的方法进一步提高纠缠源的品质,从而最终在遥远的通信双方间建立纠缠,并可以用量子存储的方法保存纠缠资源。第二种方案是自由空间方案,即通信方之一的Alice通过人造卫星把单光子源或纠缠源分发至Bob,这种方案的最大优点是可以实现任意两点间的通信,也是全球化量子通信必不可少的手段。由于地面-卫星之间的自由空间信道的衰减主要集中在地面大气层,其等效厚度约为5km,往返两次的信道衰减等效于地面大气层的10km。我们小组完成的13km自由空间纠缠分发首次实验验证了地面-卫星之间基于纠缠的量子通信的可行性,同时观测了类空间隔条件下Bell不等式的破坏,说明了纠缠在长距离的范围内依然能够保持。 在光纤量子通信中,由于光纤材料中存在的极化模式色散效应以及传输信道环境的影响,从而使得极化qubit发生退相干不利于长距离光纤通信。2005年,加拿大Waterloo大学Laflamme小组提出利用“时间标记”的方法可以克服信道中的极化模式集体旋转噪声。实验上,我们实现了这种不需要共享参考系的量子通信方案,并分别在长距离光纤和短距离光纤情况下演示了这种方案的鲁棒性。 长距离光纤量子通信中另一个重要的问题是单光子源,由于完美的单光子源目前技术上还无法实现,通常实验上是采用弱相干脉冲光源。但这种光源在长距离光纤量子通信中存在着重大的安全性漏洞,窃听者可以使用光子数分离攻击获得发送方的完全信息,使得双方通信完全不安全。虽然在理论上存在着多种克服光子数分离攻击的方案,但从实验和实用化的角度来看,诱骗态理论是最可行的方案。诱骗态理论的思想最初是由Hwang在2003年提出,此后,王向斌和Lo等人独立发展了这套理论并提出可行的实验方案。最近我们小组实验完成了超过102km的基于极化编码的单向诱骗态量子密钥分发,这也是无条件安全的量子密钥分发距离首次超过100km,为未来的实用化诱骗态量子密码原型产品打下重要的实验和技术基础。


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