時間：2022-08-26 15:24:09
序論：在您撰寫量子通信論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導您走向新的創(chuàng)作高度。
量子力學誕生于1926年，是人類對微觀世界加以認識的理論基礎之一。量子力學和相對論之間的不相容性在1935年被愛因斯坦、波多爾基斯和羅森論證后，約翰•貝爾于1964年提出貝爾理論，，阿斯派克等人于1982年證明了超光速響應的存在。1989年第一次演示成功量子密鑰傳輸，1997年量子態(tài)隱形傳輸的原理性實驗驗證由奧地利蔡林格小組在室內首次完成，2004年，該小組又將量子態(tài)隱形傳輸距離成功提高到600米。2007年開始我國架設了長達16公里的自由空間量子信道，于2009年成功實現世界上量子隱形傳態(tài)的最遠距離。
二、量子通信技術的發(fā)展趨勢
量子通信技術的研究方向除了包括量子隱形傳態(tài)還包括量子安全直接通信等，突破了現有信息技術，引起了學術界和社會的高度重視。與傳統通信技術相比，量子通信除具有超強抗干擾能力外且不需對傳統信道進行借助；與此同時量子通信的密碼被破譯的可能性幾乎沒有，具有較強的保密性；另外，量子通信幾乎不存在線路時延，傳輸速度很快。量子通信發(fā)展僅僅經歷了20年左右，但其發(fā)展卻十分迅猛，目前已經被很多國家和軍方給予高度關注。
量子通信在國防和軍事上具有廣闊的應用前景，作為量子技術的最大特征，量子技術的安全性是傳統加密通信所無可企及的。量子通信技術的超強保密性，能夠有效保證己方軍事密件和軍事行動不被敵方破譯及偵析，在國防和軍事領域顯示出無與倫比的魅力。另一方面，在破解復雜的加密算法上，也許現有計算機可能需要好幾萬年的時間，在現實中是完全無法接受且?guī)缀鯖]有實用價值的。但量子計算機卻能在幾分鐘內將加密算法破解，如果未來這種技術被投入實用，傳統的數學密碼體制將處于危險之中，而量子通信技術則能能夠抵御這種破解和威脅。
在民間通信領域量子通信技術的應用前景也同樣廣闊。中國科技大學在2009年對界上首個5節(jié)點的全通型量子通信網絡進行組建后，使得實時語音量子保密通信被首次實現，城市范圍的安全量子通信網絡在這種“城域量子通信網絡”基礎上成為了現實。
三、總結
量子信道的建立速率定義為兩個量子通信節(jié)點之間建立量子糾纏對的速率.基于糾纏態(tài)的量子通信網絡中節(jié)點具有以下三個功能:遠程傳態(tài)功能、產生并向周圍節(jié)點分發(fā)糾纏粒子功能和糾纏連接功能.其中糾纏連接功能由糾纏交換功能和糾纏純化功能組成[2324],采用糾纏連接,可以為不存在糾纏粒子對的節(jié)點提供糾纏中繼.在該網絡中,距離較近的節(jié)點可直接分發(fā)糾纏粒子,建立量子信道,而相距較遠的節(jié)點不直接分發(fā)高保真度糾纏粒子,需要通過中間節(jié)點依次中繼,建立兩節(jié)點間高保真度的量子信道.量子通信網絡模型如圖1所示.圖1中個節(jié)點以單位密度分布在正方形的二維平面中,分布區(qū)域的正方形面積。整個分布區(qū)域的節(jié)點總數為,各節(jié)點在空間中隨機分布,假設在不相交區(qū)域中節(jié)點數目相互獨立,則節(jié)點的分布滿足空間泊松過程.該量子通信網絡有以下特點:1)所有的節(jié)點功能相同,可與相鄰節(jié)點直接通信,也可通過相鄰節(jié)點為中繼與遠處節(jié)點通信;2)量子信息通過量子糾纏對傳輸,但節(jié)點之間不預先存儲量子糾纏對;3)對于相鄰節(jié)點,在通信開始階段,節(jié)點中進行糾纏粒子生成,生成的糾纏粒子傳輸至相鄰節(jié)點,得到高保真度的糾纏對以供量子信息傳輸。4)對于相距較遠的節(jié)點,需要先找到一條可以連接待通信兩節(jié)點的拓撲通路.通過通路上節(jié)點的糾纏連接操作,在遠距離的節(jié)點間得到高保真度的糾纏對.本文分別對該模型下任意兩節(jié)點間的量子信道建立速率進行分析,包括基礎鏈路、中繼長鏈路以及趨于無窮大時大規(guī)模網絡中遠距離兩節(jié)點間的量子信道建立速率.
2量子通信網絡基礎鏈路的信道建立速率
在基于糾纏態(tài)的量子通信網絡中,將可以直接通過糾纏粒子分發(fā)建立量子信道的節(jié)點稱為相鄰節(jié)點,相鄰兩節(jié)點間通過糾纏粒子形成的量子通路稱為基礎鏈路.不存在基礎鏈路的節(jié)點之間可以通過中繼節(jié)點之間的基礎鏈路建立量子信道.文獻[25]對基礎鏈路上的信道建立速率進行了分析.基礎鏈路上的一個節(jié)點由于內部糾纏粒子的存儲空間有限,所以節(jié)點產生糾纏粒子對的頻率也受到限制.假設節(jié)點光子產生糾纏粒子操作的頻率為,節(jié)點按成功概率生一定保真度的糾纏粒子對,為兩節(jié)點之間的距離,為光速,則相鄰兩節(jié)點之間成功得到一個糾纏光子對的平均時間。
3中繼長鏈路的量子信道建立速率分析
非相鄰兩節(jié)點間如果可以通過中繼節(jié)點建立量子信道,則兩節(jié)點間的量子通路稱為中繼長鏈路.相鄰節(jié)點之間可以直接生成量子糾纏對以傳遞量子信息,但中繼長鏈路上需要各中繼節(jié)點通過糾纏連接,消耗中繼節(jié)點上的量子糾纏對,從而在源節(jié)點和目的節(jié)點之間得到高保真度的量子糾纏對,建立量子信道.圖2為僅有一個中繼節(jié)點的三節(jié)點中繼長鏈路,假設節(jié)點Alice為源節(jié)點,節(jié)點Carol為目的節(jié)點,節(jié)點Bob為中繼節(jié)點,節(jié)點Bob和相鄰節(jié)點Alice,Carol分別共享量子糾纏對A1-B1和B2-C1.該過程中,節(jié)點Bob對位于本節(jié)點的量子比特B1和B2執(zhí)行貝爾基測量,即可得知A1,C1的糾纏狀態(tài).在最大糾纏態(tài)情形下,糾纏連接即形成.在非最大糾纏態(tài)情形下,糾纏連接概率性形成,。由于各基礎鏈路上糾纏粒子生成和糾纏連接操作的順序不同,可以得到不同的量子信道建立方法,不同的量子信道建立方法對應不同的量子信道建立速率.我們對逐點和分段兩種量子信道建立方法所對應的量子信道建立速率進行分析.如圖3所示,假設一條中繼長鏈路由個節(jié)點和1條基礎鏈路所構成,設源節(jié)點編號為1,目的節(jié)點的編號為,鏈路上的節(jié)點和基礎鏈路依次編號.假設節(jié)點1和之間已建立量子信道,節(jié)點和節(jié)點之間也已建立量子信道,對某節(jié)點進行糾纏連接操作,可得建立該量子信道的速率。如圖4所示,逐點量子信道建立方法中各個中繼節(jié)點上的糾纏生成和糾纏連接操作依次進行,其步驟如下:1)生成中繼節(jié)點2與源節(jié)點1之間的糾纏粒子對;2)生成中繼節(jié)點2和下一中繼節(jié)點3之間的糾纏粒子對,中繼節(jié)點2進行糾纏連接,使得源節(jié)點1與中繼節(jié)點3建立量子信道;3)生成中繼節(jié)點3和中繼節(jié)點4之間糾纏粒子對,中繼節(jié)點3進行糾纏連接,使得源節(jié)點1與中繼節(jié)點4建立量子信道;4)逐點進行,最后生成中繼節(jié)點(1)和中繼節(jié)點間糾纏粒子對,中繼節(jié)點(1)進行糾纏連接,建立源節(jié)點1和目的節(jié)點間建立量子信道.逐點量子信道建立方法需要在2個中繼節(jié)點上進行不相互獨立的糾纏連接操作.基礎鏈路的信道建立速率由量子糾纏分發(fā)速率決定.糾纏光子經由光纖或自由空間信道傳輸,再經過本地操作實現量子糾纏分發(fā),該過程所需時間設為常數。
4基于逾滲模型的二維量子通信網絡量子信道建立速率
量子通信網絡的模型與傳統通信網絡模型類似,都可建模為個節(jié)點利用傳輸信道進行信息傳遞,所不同之處在于傳統無線通信網絡使用的是傳統無線或者有線信道,而基于糾纏態(tài)的量子通信網絡使用的是糾纏粒子構成的量子信道.與經典無線通信網絡的網格劃分相似,可采用逾滲模型對整個網絡特性進行分析.逾滲模型證明通過適當的網絡網格劃分可保證整個網絡的連通性,使得網絡中的任意源節(jié)點和任意目的節(jié)點總可找到一條中繼鏈路相連,整個網絡中將形成高速公路(highway),高速公路可為其他不在高速公路上的節(jié)點提供中繼[16].將圖1中節(jié)點數目為的量子通信網絡平面劃分為邊長為的正方形網格,若某個網格中至少含有一個節(jié)點,該節(jié)點可為相鄰網格中的節(jié)點提供中繼,則這個網格視為連通的.由單位密度泊松點過程的概率分布規(guī)律,網格中至少含有一個節(jié)點的概率為(si1)=1e2,其中si代表單個網格中的節(jié)點數.網格邊長足夠大時,可保證網格中至少有一個節(jié)點的概率足夠大.當網格連通概率大于二維正方形逾滲的逾滲閾值時,將會出現無限大連通集團,整個量子通信網絡必然是連通的,即網絡中任意兩個節(jié)點間存在直接量子信道或者由多個中繼節(jié)點組成的量子信道.當網格連通概率大于二維正方形逾滲的逾滲閾值時,將在水平方向和垂直方向由連通的網格依次相連形成大規(guī)模的連通鏈路,這種連通鏈路的拓撲結構稱為高速公路.高速公路上分布著大量的中繼節(jié)點,且這些相鄰中繼節(jié)點之間的最遠距離由網格的邊長決定,使得基礎鏈路的長度最長不超過網格對角線長.高速公路存在于網絡水平方向和垂直方向,源節(jié)點找到離自己最近的高速公路入口節(jié)點,然后在水平方向的高速公路找到與目的節(jié)點垂直距離最近的節(jié)點,接著通過該節(jié)點沿著垂直方向的高速公路找到與目的節(jié)點最近的出口節(jié)點.由于高速公路的存在,若源節(jié)點和目的節(jié)點都在高速公路上,則這兩個節(jié)點可直接利用高速公路的中繼作用建立量子信道,若源節(jié)點和目的節(jié)點至少有一個不在高速公路上,則應先找到最近的高速公路入口節(jié)點或出口節(jié)點,再通過高速公路中繼,從而建立量子信道。由此可知,高速公路上的基礎鏈路的量子信道建立速率僅與節(jié)點的量子存儲空間、網格劃分的對角線長度、給定的量子信息保真度有關,與總節(jié)點個數無關,故相對于為常數階.不在高速公路上的節(jié)點要先找到離它最近的高速公路節(jié)點作為入口節(jié)點或者出口節(jié)點,源節(jié)點與入口節(jié)點之間以及目的節(jié)點與出口節(jié)點之間存在基礎鏈路,該基礎鏈路的量子信道建立速率與總節(jié)點個數有關,由于不在高速路的點與最近的高速公路節(jié)點的距離不大于log+22[21],故該基礎鏈路的速率。因此對中繼長鏈路而言,分段量子信道建立方法的量子信道建立速率更高.因此我們對長鏈路上使用分段量子信道建立方法進行分析.根據源節(jié)點和目的節(jié)點分布不同,可分為以下兩種場景.場景1:若源節(jié)點和目的節(jié)點都在高速公路上,則對于有Ω()個節(jié)點的這條長中繼鏈路,基礎鏈路的最長距離由網格劃分的邊長決定,此時基礎鏈路上的量子信道建立速率為常數階,源節(jié)點和目的節(jié)點成功得到量子糾纏對的速率。所以當量子通信網絡的節(jié)點都利用逾滲模型所指出的高速公路進行長鏈路的中繼通信,且采用分段量子信道建立方法時,整個量子通信網絡的量子信道建立速率為Ω(1/).由于場景2的量子信道建立速率小于場景1的量子信道建立速率,整個量子信息網絡的量子信道建立速率上限值由兩者的較小值所決定的,故量子通信網絡的量子信道建立速率為Ω(1/).
5結論
1.1量子秘鑰分發(fā)
量子秘鑰分發(fā)不是用于傳送保密內容,而是在于建立和傳輸密碼本,即在保密通信雙方分配秘鑰,俗稱量子密碼通信。1984年，美國的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84協議，即用量子比特作為信息載體，利用光的偏振特性對量子態(tài)進行編碼，實現對秘鑰的產生和安全分發(fā)。1992年，Bennett提出了基于兩個非正交量子態(tài)，流程簡單，效率折半的B92協議。這兩種量子秘鑰分發(fā)方案都是建立在一組或多組正交及非正交的單量子態(tài)上。1991年，英國的Ekert提出了基于兩粒子最大糾纏態(tài)，即EPR對的E91方案。1998年，又有人提出了在三組共軛基上進行偏振選擇的六態(tài)方案量子通信，它是由BB84協議中的四種偏振態(tài)和左右旋組成。BB84協議被證明是迄今為止無人攻破的安全秘鑰分發(fā)方式，量子測不準原理和量子不可克隆原理，保證了它的無條件安全性。EPR協議具有重要的理論價值，它將量子糾纏態(tài)與量子保密通信聯系起來，為量子保密通信開辟了新途徑。
1.2量子隱形傳態(tài)
1993年由Bennett等6國科學家提出的量子隱形傳態(tài)理論是一種純量子傳輸方式，利用兩粒子最大糾纏態(tài)建立信道來傳送未知量子態(tài)，隱形傳態(tài)的成功率必定會達到100%。199年，奧地利的A．Zeilinger小組在室內首次完成量子隱形態(tài)傳輸的原理性實驗驗證。在不少影片中常出現如此的情節(jié)：一個在某處突然消失的神秘人物突然出現在另一處。由于量子隱形傳態(tài)違背了量子力學中的量子不可克隆原理和海森堡不確定原理，因此它在經典通信中只不過是一種科幻而已。然而量子通信中引入了量子糾纏這一特殊概念，將原物未知量子態(tài)信息分成量子信息和經典信息兩部分，使得這種不可思議的奇跡得以發(fā)生，量子信息是在測量過程未提取的信息，經典信息是對原物進行某種測量。
二、量子通信的進展
從1994年開始，量子通信已經逐步進入實驗階段，并向實用化目標邁進，具有巨大的開發(fā)價值和經濟效益。1997年，中國青年科學家潘建偉與荷蘭科學家波密斯特等人試驗并實現了未知量子態(tài)的遠程傳輸。2004年4月Lorunser等利用量子糾纏分發(fā)第一次實現1.45KM的銀行間數據傳輸，標志著量子通信從實驗室走向應用階段。目前量子通信技術已經引起各國政府、產業(yè)界和學術界的高度重視。一些國際著名公司也積極發(fā)展量子信息的商業(yè)化，如英國電話電報公司，美國的Bell、IBM、AT&T等實驗室，日本的東芝公司，德國的西門子公司等。2008年，歐盟“基于量子密碼的全球保密通信網絡開發(fā)項目”組建的7節(jié)點保密通信演示驗證網絡試運行成功。2010年，美國《時代周刊》在“爆炸性新聞”專欄中以“中國量子科學的飛躍”為題報道了中國在16公里量子隱形傳輸的實驗成功，標志中國有能力建立地面與衛(wèi)星間的量子通信網絡。2010年，日本國家情報通信研究機構聯合三菱電機和NEC，以及瑞士IDQuantique公司、東芝歐洲有限公司和奧地利的AllVienna公司在東京成立了六節(jié)點城域量子通信網絡“TokyoQKDNetwork”。該網絡集中了目前日本及歐洲在量子通信技術上發(fā)展水平最高的研究機構和公司的最新研究成果。
三、量子通信展望
關鍵詞：量子通信定義 量子通信理論由來 駁倒愛因斯坦的實驗論據
一、量子通信定義
量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等，近來這門學科已逐步從理論走向實驗，并向實用化發(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關注。基于量子力學的基本原理，量子通信具有高效率和絕對安全等特點，并因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。
二、量子通信理論由來
“1935年5月的一天早晨，愛因斯坦像往常一樣準時來到普林斯頓高等研究院的辦公室。他來普林斯頓小鎮(zhèn)快兩年了，已經熟悉并開始喜歡這個恬靜的“室外桃園”。辦公桌上放著他和助手波多爾斯基、羅森一起剛剛發(fā)表在《物理評論》上的論文。他拿起來看了看，臉上露出孩子般頑皮的微笑――這回他終于可以戰(zhàn)勝老對手玻爾了。與此同時，在大西洋彼岸的哥本哈根大學玻爾研究所，愛因斯坦的文章立刻引起了物理學家玻爾的關注和不安。這對他來說簡直是個晴天霹靂！玻爾立刻放下所有的工作，他說：‘我們必須睡在問題上。’愛因斯坦和玻爾是20世紀兩位最偉大的物理學家，他們都為量子理論的建立做出了奠基性的貢獻。然而，他們對于這個理論的含義卻一直爭論不休。這一爭論被稱為‘關于物理學靈魂的論戰(zhàn)’?！报D―引自郭光燦院士《愛因斯坦的幽靈：量子糾纏之謎》。
郭光燦院士書中所指的“物理學靈魂”的論戰(zhàn)，與“量子糾纏”現象有著莫大的關系。 在量子力學中，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著某種糾纏關系，不管它們被分開多遠，只要一個粒子發(fā)生變化就能立即影響到另外一個粒子，即兩個處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠，都能“感知”和影響對方的狀態(tài)，這就是量子糾纏。盡管愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現象的存在，但卻不愿意接受它，并斥之為“幽靈般的超距作用（spooky action at a distance）”。
三、駁倒愛因斯坦的實驗論據
對EPR實驗的驗證始于1960年，在1980年終于獲得有說服力的結果。這些是實驗大多都是以光子來做為自旋關聯。主要是利用院子的級聯輻射，選擇出光子動量為0的情形。1982年，法國物理學家艾倫•愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子“量子糾纏”（quantum entanglement）的現象確實存在，這一結論對西方科學的主流世界觀產生了重大的沖擊。它證實了任何兩種物質之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深層次的內在聯系。
四、突破傳統的通信方式
1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案：將某個粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處。在量子通信系統中，共享信息的兩個人必須共享幾乎一致的兩個成對產生并永遠纏結在一起的光子。一旦信息被帶到第一個光子上，它將會消失并重現在第二個光子上，以實現不加外力方式傳輸信息。不加外力傳輸的概念是以量子物理學為基礎的，它所使用的是具有波、粒兩重性但沒有電荷和質量的光子，而不是常規(guī)使用的電子。在量子通信中，報文是以不加外力傳輸方式傳輸的。不加外力傳輸方式就是使信息在一個地方消失，從而使其能在另一個地方出現的過程。它不需要通過空中、太空或線路傳輸。在這一過程中，發(fā)送者與接收者共享所需光子的數量，決于所發(fā)送報文的長度。在量子通信中，由于光子只能成對產生，因此，所有量子的不加外力方式只能在一個發(fā)送者和一個接收者之間進行。如果接收者需要將報文傳送給其他人，則每次必須共享和使用纏結在一起的新的一對光子。因此，量子網絡必須一個鏈路一個鏈路地建立。
利用量子信息技術之一量子密碼術，可實其基本思想是：將原物的信息分成經典信息和量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發(fā)送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測量中未提取的其余信息；接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態(tài)的完全復制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對這個量子態(tài)一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態(tài)上。在這個方案中，糾纏態(tài)的非定域性起著至關重要的作用。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。
五、量子通信的發(fā)展狀況
量子通信具有傳統通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。
為了讓量子通信從理論走到現實,從上世紀90年代開始,國內外科學家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰(zhàn)略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學領域的研究，近幾年來，中國科技大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。
2006年夏,我國中國科技大學教授潘建偉小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學―維也納大學聯合研究小組各自獨立實現了誘騙態(tài)方案，同時實現了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗，由此打開了量子通信走向應用的大門。2008年底，潘建偉的科研團隊成功研制了基于誘騙態(tài)的光纖量子通信原型系統，在合肥成功組建了世界上首個3節(jié)點鏈狀光量子電話網，成為國際上報道的絕對安全的實用化量子通信網絡實驗研究的兩個團隊之一（另一小組為歐洲聯合實驗團隊）。
該研究成果于5月1日以長文形式發(fā)表在國際權威學術期刊《自然·光子學》上。
量子密鑰分發(fā)是最先有望實用化的量子信息技術，它可以帶來絕對安全的信息傳輸方式，因此，科學家們一直致力于全球化量子密鑰分發(fā)的研究。而要實現全球化量子密鑰分發(fā)網絡，人們需要突破距離的限制。目前，由于光纖損耗和探測器的不完美性等因素的限制，以光纖為信道的量子密鑰分發(fā)的距離已基本到達極限，而由于地球曲率和遠距可視等條件的限制，地面間自由空間的量子密鑰分發(fā)也很難實現更遠的距離，因此，要實現更遠距離的甚至是全球任意兩點的量子密鑰分發(fā)，基于低軌道衛(wèi)星的量子密鑰分發(fā)是最具潛力和可行性的方案。而要實現這個方案，則需要克服大氣層的傳輸損耗、量子信道效率、背景噪音等諸多問題。
為了克服星地量子密鑰分發(fā)的上述困難，中科院協同創(chuàng)新團隊在中國科大上海研究院、中科院上海技物所和光電技術研究所進行了多年的合作技術攻關，自主研制了高速誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)光源和輕便的收發(fā)整機，自主發(fā)展了高精度的跟瞄、高精度同步和高衰減鏈路下的高信噪比及低誤碼率單光子探測等關鍵技術。在此基礎上，協同創(chuàng)新團隊利用旋轉平臺來模擬低軌道衛(wèi)星的角速度和角加速度；利用熱氣球來模擬隨機振動和衛(wèi)星姿態(tài)；利用百公里地面自由空間信道來模擬星地之間高衰減鏈路信道，從而成功地驗證了星地之間安全量子信道的可行性。
據了解，該研究為我國通過發(fā)射量子科學實驗衛(wèi)星，實現基于星地量子通信的全球化量子網絡和在大尺度量子理論基礎檢驗，以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論，奠定了必要的技術基礎。這是繼去年實驗實現拓撲量子糾錯和百公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸與糾纏分發(fā)后，中科院量子科技先導專項取得的又一階段性重要突破，同時也是量子信息與量子科技前沿協同創(chuàng)新中心的最新重要成果。
中國科學家成功破譯H5N1分子機制
新華網消息，中國科學家在美國《科學》雜志網絡版上報告說，他們“破譯”了H5N1禽流感病毒感染人的分子機制，這一發(fā)現對防止禽流感病毒擴散具有重要意義。
此前科學家已經知道禽流感病毒可以感染人，并確認病毒表面一種名為血凝素（HA）蛋白的突變，讓禽流感病毒能夠通過空氣在雪貂之間傳播，但科學家一直不了解完成這一過程的分子機制。
中國科學院病原微生物與免疫學重點實驗室的研究人員借助蛋白質大分子晶體學研究方法，微觀研究了HA蛋白與相關受體的結構。他們發(fā)現，一旦HA蛋白發(fā)生某種結構變化，其受體結合特性就會從禽類變成人類。
論文作者施一對新華社記者介紹說，原來H5N1病毒一直被限制在禽類身上，偶爾有散發(fā)的人類感染病例，但當HA蛋白受體結合部位226L位發(fā)生谷氨酸一亮氨酸突變時，H5N1病毒就會改變其結合特性，更容易感染人類。
這項計劃將由谷歌的量子人工智能（Quantum Artificial Intelligence）研究小組來實施。谷歌在博客中透露，美國加州大學圣巴巴拉分校的一個研究小組也加入了這項計劃。
谷歌去年的研發(fā)開支達到80億美元。為了在互聯網搜索和在線廣告等市場保持領先地位，谷歌目前正在開發(fā)一些新的計算機技術。在科技行業(yè)中的一些人看來，量子技術是計算機進行海量數據分析的一種革命性方式。這種新技術對谷歌的主要業(yè)務尤其有幫助，對它的新項目――如聯網設備和聯網汽車――也是有用的。
“在一個硬件研發(fā)團隊的協助下，量子人工智能研究小組現在能夠落實新的設計并測試新的產品。”谷歌在博客中寫道。
在整理和分析海量數據方面，量子計算機將具有比傳統計算機更快的解決速度。谷歌量子人工智能小組成員馬蘇德?莫森（Masoud Mohseni）曾經與人合作撰寫過具有領先學術水平的量子技術論文。谷歌也一直被視為這一新技術革命的領導力量之一。
此外，谷歌的競爭對手微軟也在進軍這個新領域，并建立了一個名為“量子架構和計算（Quantum Architectures and Computation Group）”的研究小組。
探秘量子計算機
量子計算機，早先由理查德?費曼提出，一開始是從物理現象的模擬而來的?？伤l(fā)現當模擬量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間使資料量也變得龐大，一個完好的模擬所需的運算時間變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。理查德?費曼當時就想到，如果用量子系統構成的計算機來模擬量子現象，則運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。
從物理層面上來看，量子計算機不是基于普通的晶體管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如質子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（學校實驗大多用這個）等等作為載體。當然從理論上來看任何一個多能級系統都可以作為量子比特的載體。
從計算原理上來看，量子計算機的輸入態(tài)既可以是離散的本征態(tài)（如傳統的計算機一樣），也可以是疊加態(tài)（幾種不同狀態(tài)的幾率疊加），對信息的操作從傳統的“和”，“或”，“與”等邏輯運算擴展到任何幺正變換，輸出也可以是疊加態(tài)或某個本征態(tài)。所以量子計算機會更加靈活，并能實現并行計算。
量子計算機或不再遙遠
據外媒報道，美國普林斯頓大學研究人員近日設計出一種裝置，可以讓光子遵循實物粒子的運動規(guī)律?，F存的計算機是基于經典力學研發(fā)而成的，在解釋量子力學方面有很大局限性。量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。
研究人員制作出一種超導體，里面有1000億個原子，在聚集起來之后，眾多原子如同一個大的“人工原子”?？茖W家把“人工原子”放在載有光子的超導電線上，結果顯示，光子在“人工原子”的影響下改變了原有的運動軌跡，開始呈現實物粒子的性質。例如，在正常情況下，光子之間是互不干涉的，但是在這一裝置里，光子開始相互影響，呈現出液體和固體粒子的運動特性，光子的這種運動“前所未有”。
現存的計算機是基于經典力學研發(fā)而成的，在解釋量子力學方面有很大局限性。量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。研究人員稱，在改變光子的運動規(guī)律之后，量子計算機的發(fā)明也許不再遙遠。
就我國量子計算機而言，相關研究也一直處于世界領先水平。早在2013年12月30日，美國物理學會《物理》雜志就公布了2013年度國際物理學領域的十一項重大進展，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事張強、馬雄峰和陳騰云等“利用測量器件無關量子密鑰分發(fā)解決量子黑客隱患”的研究成果位列其中。
《物理》雜志以“量子勝利的一年――但還沒有量子計算機”為題報道了中國科學家成功解決量子黑客隱患這一重要成果。
盡管量子計算機仍然是遙遠的未來，但2013年科學家們卻報道了一系列量子信息和量子通信領域的勝利。在量子密碼方面，兩個獨立的研究組報道了一種新的加密手段，可以提供絕對的安全性，以解決量子黑客隱患。
在全球的量子通信競賽中，中國雖然并不是起步最早的，但是在中國科學院院士潘建偉等眾多人的不懈努力下，中國在量子通信領域已經實現“彎道超車”，并成為首個將量子科學實驗衛(wèi)星送入太空的國家。
早在數年前，星地量子通信的中國夢已引發(fā)了世界的關注。
2012年8月9日，國際權威學術期刊《自然》雜志以封面標題形式發(fā)表了中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉團隊的研究成果：他們在國際上首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。
這一成果不僅刷新世界紀錄，有望成為遠距離量子通信的“里程碑”，而且為發(fā)射全球首顆“量子科學實驗衛(wèi)星”奠定了技術基礎。該成果入選《自然》雜志公布的“2012年度全球十大新聞亮點”。
同年12月6日，《自然》雜志為該成果專門撰寫了長篇新聞特稿《數據隱形傳輸：量子太空競賽》，詳細報道了這場激烈的量子太空競賽。
建立“量子互聯網”
2009年，潘建偉和他的中國科大物理學家團隊從位于北京北部丘陵的長城附近的實驗點，將激光瞄準了16公里之外的屋頂上的探測器，然后利用激光光子的量子特性將信息“瞬移”過去。
這個距離刷新了當時量子隱形傳態(tài)的世界紀錄，他們朝著團隊的終極目標――將光子信息隱形傳送到衛(wèi)星上――邁進了重要的一步。
如果這一目標實現，將會建立起“量子互聯網”的第一個鏈接，這個網絡將是運用亞原子尺度物理規(guī)律創(chuàng)建的一個超級安全的全球通信網絡。這也證實了中國在量子領域的不斷崛起，從十幾年前并不起眼的角色發(fā)展為現在的世界勁旅。
2016年，中國領先歐洲和北美，發(fā)射了一顆致力于量子科學實驗的衛(wèi)星。
這為物理學家提供了一個測試量子理論基礎，以及探索如何融合量子理論與廣義相對論（是愛因斯坦關于空間、時間和引力所提出的截然不同的理論）的全新平臺。
這也標志著潘建偉與維也納大學物理學家Anton Zeilinger之間的友誼（雖然存在激烈競爭）達到高峰。
Zeilinger曾是潘建偉的博士生導師；之后的七年，二人在遠距離量子隱形傳態(tài)研究的賽跑中棋逢對手；此后他們又建立了合作關系。衛(wèi)星發(fā)射成功之后，兩位物理學家將創(chuàng)建第一個洲際量子加密網絡，通過衛(wèi)星連接亞洲和歐洲。
“我們有句老話，一日為師終身為父，”潘建偉說，“科研上，Zeilinger和我平等合作，但在情感上，我一直把他當作我尊敬的長輩。”
迅速崛起
2001年，潘建偉建立了中國第一個光量子操縱實驗室；2003年，他提出了量子衛(wèi)星計劃。那時的他才30歲出頭。2011年，41歲的潘建偉成為當時最年輕的中科院院士。
潘建偉小組的成員陳宇翱說：“他幾乎單槍匹馬地把這個項目推進下去，并使中國在量子領域有了立足之地?！?/p>
潘建偉為何有如此動力？這要追溯到上世紀80年代后期他在中國科大的本科讀書經歷。
那時，他第一次接觸到了原子領域一些“奇怪”的概念。微觀客體可以處于多個狀態(tài)的迭加態(tài)：例如，一個粒子可以同時處在順時針自旋狀態(tài)和逆時針自旋狀態(tài)，或者可以同時存在于兩個地方。這種多重的個性在數學上用波函數來描述，波函數給出了粒子處于每個狀態(tài)的概率。只有在粒子的某一特性被測量時，波函數才會坍塌，相應的粒子才會處于一個確定地點的確定狀態(tài)。至關重要的是，即使在原則上都無法預言單次實驗的結果，粒子處于每個狀態(tài)的概率僅表現為一個統計分布，并且只有通過多次重復實驗才能得到。
由于量子糾纏的特性，當考慮兩個或更多個粒子時，情況變得更加“古怪”了。多粒子系統可以被制備到某種狀態(tài)：即使粒子間距離遙遠，即使粒子的物理性質僅當其被測量時才會存在確定的值，對于每個粒子某個物理性質的測量結果之間總是會存在某種關聯性。
這種怪異性就好比分別位于維也納和北京的兩位物理學家同時擲硬幣，他們會發(fā)現每次結果都是正面朝上，或者都是反面朝上。
“我對這些奇怪的量子特性感到著迷。”潘建偉說，“它們幾乎使我無法分心去學習其它東西?！彼腧炞C這些不可思議的理論，但是在當時的中國，他找不到合適的量子物理實驗室。
20世紀90年代中期，Zeilinger在奧地利因斯布魯克大學建立了自己的量子實驗室，并且需要一名學生來檢驗他的一些實驗猜想。潘建偉認為這是一個理想的選擇。于是，與大多數中國學生的選擇不同，潘建偉來到奧地利師從Zeilinger，與Zeilinger開始了一段決定二人此后二十年間事業(yè)上并駕齊驅的關系。
當潘建偉在Zeilinger實驗室施展他的專業(yè)才華時，世界各地的物理學家開始慢慢認識到，曾令潘建偉著迷的、深奧難懂的量子特性可以被用來創(chuàng)造比如量子計算機。
由于一個量子比特可以同時存在于0和1的疊加，它可能會建立起更快、更強大、能夠將多個量子比特糾纏起來的量子計算機，并能以驚人的速度并行執(zhí)行某些運算。
另一個新興的概念是極度安全的量子加密，可應用在比如銀行交易等方面。其中的關鍵是測量一個量子系統會不可避免地破壞這個系統。因此，發(fā)報方（通常稱為“Alice”）和信息的接收方（通常稱為“Bob”）兩個人能夠產生并共享一套量子密鑰，其安全性在于來自竊聽者的任何干擾都會留下痕跡。
2001年，潘建偉回到中國的時候，量子技術的潛力已經得到公認，并吸引了中國科學院和中國國家自然科學基金委員會的財政支持。
“幸運的是，2000年中國的經濟開始增長，因此當時立即迎來了從事科研工作的好時機。”潘建偉說。他全身心投入到了夢想中的實驗室的建設當中。與此同時，在奧地利，Zeilinger轉到維也納大學。在那里，因為他的遠見卓識，Zeilinger繼續(xù)創(chuàng)造著量子紀錄。他最著名的實驗之一表明，巴基球（含有60個碳原子的富勒烯分子）可以表現出波粒二象性，這是一個奇特的量子效應，很多人曾認為在如此大的分子中不可能存在這種效應。
“每個人都在談論可以用小的雙原子分子來嘗試一下這個實驗。”Zeilinger回憶說，“我說，‘不，伙伴們，不要只是思考前面的一兩步，請思考一下我們如何能實現一個超出所有人想象的大跳躍?！?/p>
這使潘建偉深受教益。世界各地的物理學家們開始構思，如何利用尚未實現的量子計算機來連接未來的量子互聯網。當大多數人仍滿足于在實驗臺上安全地得到量子信息時，潘建偉已經開始思考如何能夠在太空中實現信息的隱形傳送。
紐約IBM的計算機科學家Charles Bennett和他的同事在1993年首次提出“量子隱形傳態(tài)”的概念，之所以有此名稱，陳宇翱說：它就像來自于《星際旅行》一樣，它使得關于一個量子客體的全部信息在某個地點被掃描輸入，并在一個新的地點重構出來。這其中的關鍵就是糾纏：因為對處于糾纏態(tài)的其中一個粒子的操作會影響到另一個粒子。不管兩個粒子距離多遠，它們可以像一條量子電話線兩端的電話機那樣控，在兩個相距甚遠的地點之間傳送量子信息。
當同時產生的糾纏粒子被發(fā)送到電話線連接的兩端時，問題就出現了。傳遞過程中充滿著噪音、散射相互作用和各種形式的其它干擾，任何一種干擾都會破壞隱形傳態(tài)所必需的精巧的量子關聯。例如，目前糾纏光子是通過光纖傳輸，但是光纖會吸收光，這使得光子的傳輸距離僅限于幾百公里。標準的放大器起不到作用，因為放大過程會破壞量子信息。陳宇翱說：“要在城域距離之外實現隱形傳態(tài)，我們需要衛(wèi)星的幫助?！?/p>
但是當光子通過地球湍流的大氣層一直向上，到達幾百公里的衛(wèi)星時，糾纏會不會繼續(xù)保持？為了回答這個問題，潘建偉的研究團隊于2005年開展了晴空下傳輸距離不斷擴大的地基可行性實驗，探究光子與空氣分子發(fā)生碰撞后能否繼續(xù)維持糾纏性質。但他們還需要建立一個靶標探測器，這個探測器必須小到能夠裝配到衛(wèi)星上，并且靈敏度必須足以從背景光中篩選出被傳送的光子，而且還得保證，他們可以將光子束足夠聚焦，讓其能夠打到探測器。
這個工作激起了Zeilinger的競爭意識。“中國人在做了，因此我們想，為什么我們不試試呢？一些友好的競爭總是好的?！?/p>
競爭促使光子傳輸距離的世界紀錄不斷被刷新。在接下來的七年中，中國的研究團隊通過在合肥、北京長城以及在青海開展的一系列實驗，將隱形傳態(tài)的距離越推越遠，直到它超過97公里。
2012年5月，他們將成果張貼在物理預印本服務器ArXiv上。這讓奧地利團隊十分懊惱，因為他們正在撰寫在加那利群島之間隱形傳態(tài)光子的實驗論文。
8天后，他們在ArXiv上貼出了論文，報道他們的隱形傳態(tài)取得了143公里的新紀錄。兩篇文章最終先后發(fā)表在《自然》雜志上。
“我認為這可以表明一個事實，即每個實驗都有不同以及互補的價值?！本S也納大學物理學家、奧地利團隊成員馬曉松說。
在自由空間量子通信領域，中國團隊和奧地利團隊之間不斷競爭，從糾纏光子的分發(fā)到量子隱形傳態(tài)，創(chuàng)造了一個又一個的里程碑。
兩支團隊都認為，向衛(wèi)星進行隱形傳態(tài)在科學原理上已不存在問題。他們亟需的是一顆衛(wèi)星來裝載功能齊備的有效載荷設備，開展相關的量子實驗檢驗。Zeilinger的研究組一直在與歐洲空間局（ESA）商討建立量子衛(wèi)星計劃，但這些努力因拖延而漸漸告吹。
Zeilinger說：“它的運行機制太慢了，以至于沒有做出任何決策?！币环矫媸菤W空局的猶豫，另一方面中國國家航天局緊抓機會，得以擴大領先優(yōu)勢。在此當中，潘建偉起到了決定性的推進作用?！傲孔有l(wèi)星”的發(fā)射使得潘建偉在量子空間競賽中處于領先地位，他的研究團隊將著手開展大量的科學實驗。
成功的關鍵
如果沒有通信對象，開發(fā)全球首個量子通信網絡就失去了意義。因此，潘建偉邀請他從前的競爭對手加入這個項目。他們的第一個共同目標是在北京和維也納之間生成和共享一個安全的量子密鑰。
“總之，任何一個小組都無法獨立完成向衛(wèi)星隱形傳態(tài)這一極其艱巨的任務?！瘪R曉松說。盡管政府的主要興趣在于它可以推進技術前沿，但許多物理學家對這個衛(wèi)星項目如此著迷卻是因為其它原因?！白鳛橐幻茖W家，驅使我不斷前行的動力在于進一步探尋物理學的基礎?！标愑畎勘硎?。
迄今為止，量子理論的奇妙之處在實驗室里被不斷重復檢驗，但這些檢驗卻從未在太空尺度中進行過。而且有理論認為，如果量子理論可能會在某處遭遇挑戰(zhàn)，那必然是太空。大尺度是由另一個基本物理理論所掌控：廣義相對論。相對論將時間作為另一種維度與三維空間交織，從而創(chuàng)造一個四維時空結構，包括宇宙。在巨大的物體如太陽周圍，這種可塑結構將發(fā)生彎曲，表現為引力，引力將較小質量的物體如行星拉向巨大物體。
目前的挑戰(zhàn)是，量子理論和廣義相對論對時空概念有著完全不同的理解，物理學家們一直致力于將它們融入一個統一的量子引力理論框架。在愛因斯坦的繪景里，即使在無窮小尺度上，時空都是完全光滑的。然而，量子不確定性卻意味著不可能在如此小的距離上測量空間性質。目前尚不清楚是量子理論還是廣義相對論需要進行修正，抑或二者都要進行修正。
而衛(wèi)星實驗可以幫助測試量子理論的規(guī)則在引力牽引不能被忽略的尺度上是否仍然適用。
一個明顯的問題是，量子糾纏是否可以延伸到地球和衛(wèi)星之間。為了回答這個問題，研究組計劃在衛(wèi)星上制備一系列糾纏粒子對，將每對中的兩個粒子分別發(fā)送到兩個地面站，然后測量兩個粒子的性質以驗證它們是否仍然存在關聯――而且設備運轉良好。
“如果糾纏不再存在，我們就不得不尋找另一種理論來代替量子理論?！毖芯肯蛐l(wèi)星進行隱形傳態(tài)方案的瑞士日內瓦大學理論物理學家Nicolas Brunner說。
該衛(wèi)星還可更進一步，檢驗一些候選的量子引力理論對時空結構的預言。比如，所有這些理論都預測，如果科學家能以某種方式在10～35米（即普朗克長度）這一尺度觀測，空間、時間將呈現為顆粒狀。如果事實確實如此，那么光子從衛(wèi)星沿著這條顆粒感的道路的穿梭將會輕微減速，而且偏振方向將有一個微小、隨機的偏轉――這些效應應該足以被地面站記錄下來。
“衛(wèi)星將開啟一個真正全新的窗口，通往一個實驗物理學家此前從未涉足過的領域，這非常神奇?！眮碜砸獯罄_馬薩皮恩扎大學的物理學家Giovanni Amelino-Camelia說。
