Quantum Kommunikation

utvecklingsprocess

År 1993 lade CHBennett fram begreppet kvantkommunikation; samma år föreslog 6 forskare från olika länder ett system för att realisera kvantteleportering genom att kombinera klassiska och kvantmekaniska metoder: överföra det okända kvanttillståndet hos en partikel till en annan På ett ställe är en annan partikel beredd till kvanttillståndet, medan den ursprungliga partikeln finns kvar. Grundtanken är att dela upp den ursprungliga informationen i två delar: klassisk information och kvantinformation, som överförs till mottagaren genom den klassiska kanalen respektive kvantkanalen. Klassisk information erhålls av avsändaren utför någon form av mätning på den ursprungliga substansen, och kvantinformation är resten av den information som avsändaren inte extrahera under mätningen; mottagaren kan förbereda det ursprungliga kvanttillståndet efter att ha erhållit dessa två sorters information Helt återges. I denna process överförs endast det ursprungliga ämnets kvanttillstånd, inte själva originalämnet. Avsändaren kan även veta ingenting om detta kvanttillstånd, medan mottagaren sätter andra partiklar i det kvantmekaniska tillståndet i den ursprungliga frågan. I detta system spelar icke-orten i de insnärjda staterna en oerhört viktig roll. Quantum teleportering är inte bara viktigt inom fysiken för människor att förstå och avslöja den mystiska naturlagarna, men också kan använda kvanttillstånd som en information bärare för att slutföra överföringen av stora kapacitet information genom överföring av kvanttillstånd, uppnå i princip undechiffrera Quantum konfidentiell kommunikation.

År 1997 samarbetade Pan Jianwei, en ung kinesisk forskare som studerade i Österrike, med den nederländske forskaren Bomiister och andra för att förverkliga den avlägsna överföringen av okända kvanttillstånd för första gången. Detta är första gången i världen som ett kvanttillstånd framgångsrikt har överförts från en foton i Jorden A till en foton i Jorden B. I experimentet uttrycks endast kvantinformationens "tillstånd" och fotonen själv som informationsbärare överförs inte.

År 2012 uppnådde den kinesiske vetenskapsmannen Pan Jianwei och andra framgångsrikt de första 100 kilometerna av kvantteleportering och förvecklingsdistribution i världen med fritt utrymme, och lade den tekniska grunden för att lansera världens första "kvantkommunikationssatellit". Den internationella auktoritativa akademiska tidskriften "Nature" magazine fokuserade på denna prestation den 9 augusti. "Framgångsrik överföring av 100 kilometer på en hög förlust mark innebär att överföringen avståndet i låg förlust rymden kan nå mer än 1000 kilometer, i princip lösa problemet med långväga informationsöverföring av quantum kommunikationssatelliter." Forskargruppsmedlem Peng Chengzhi sade att Quantum Genombrottet i kärnteknik av kommunikationssatelliter visar också att det är tekniskt möjligt att konstruera ett globalt kvantkommunikationsnätverk i framtiden. Den 9 augusti fokuserade den internationella auktoritativa akademiska tidskriften "Nature" på denna prestation, som representerar dess allmänna erkännande i den internationella akademiska världen. "Nature" tidningen sa att det är "lovande att bli en milstolpe i långväga quantum kommunikation", "mot ett globalt kvantnätverk", European Physical Society webbplats, USA " Science News "magazine och andra särskilda rapporter.

Grundläggande innehåll

Den så kallade kvantkommunikationen avser en ny typ av kommunikationsmetod som använder kvantförvecklingseffekten för att överföra information. Det är en ny tvärvetenskaplig utveckling som utvecklats under de senaste två decennierna och ett nytt forskningsfält som kombinerar kvantteori och informationsteori.

Optisk kvantkommunikation bygger huvudsakligen på teorin om kvant intrasslade tillstånd, med hjälp av kvantteleportering (överföring) för att uppnå informationsöverföring. Enligt experimentell kontroll, oavsett hur långt ifrån varandra två partiklar med intrasslade tillstånd är, så länge som en ändras, kommer den andra också förändras omedelbart. Processen att använda denna funktion för att förverkliga optisk kvantkommunikation är följande: ett par partiklar med intrasslade tillstånd är konstruerade i förväg. De två partiklarna placeras på de två sidorna av kommunikationen, och partiklarna med okänt kvanttillstånd och avsändarens partiklar mäts gemensamt (en operation), och mottagarens partiklar omedelbart kollapsar (förändring), och kollapsen (förändring) är i ett visst tillstånd. Detta tillstånd är symmetriskt med tillståndet för avsändarens partiklar efter kollaps (förändring), och sedan överförs den gemensamma mätinformationen till mottagaren genom den klassiska kanalen, och mottagaren utför enhetstransformation på de kollapsade partiklarna enligt den mottagna informationen (motsvarande I den omvända transformationen) kan du få samma okända kvanttillstånd som avsändaren.

Jämfört med optisk kvantkommunikation kan klassisk kommunikation inte jämföras med dess säkerhet och effektivitet. Security-Quantum kommunikation kommer aldrig att "läcka". Nyckeln till kvantkryptering är slumpmässig. Även om den fångas upp av en stulen person, kan inte rätt nyckel erhållas, så informationen kan inte knäckas. Två partiklar med intrasslade tillstånd i ens hand, kvanttillståndet för en av partiklarna förändras, den andra sidans kvanttillstånd kommer att ändras omedelbart, och enligt kvantteorin kommer eventuell makroskopisk observation och interferens omedelbart att förändra kvanttillståndet, vilket orsakar det Komprimerat, så informationen som erhållits av stealersna på grund av störningen har förstörts, inte den ursprungliga informationen. Effektiv, den okända kvanttillstånd som överförs kommer att vara i en intrasslad tillstånd innan de mäts, det vill säga det representerar flera stater samtidigt, till exempel, ett kvanttillstånd kan representera två nummer 0 och 1 samtidigt, 7 sådana kvanttillstånd kan representera 128 samtidigt Status eller 128 siffror: 0 ~ 127. En sådan överföring av optisk kvantkommunikation motsvarar 128 gånger av den klassiska kommunikationsmetoden. Det är tänkbart att om överföringsbandbredden är 64 bitar eller högre, då skillnaden i effektivitet kommer att vara en häpnadsväckande makt på 2 till N, och högre.

Här är ytterligare en förklaring av quantum trassel. Quantum trassel kan förstås med "Schrodinger's cat": när du lägger en katt i en låda som innehåller gift, och sedan täcka rutan, efter ett tag, fråga om katten är död eller levande? Quantum Svaret på fysiken är: det är både död och levande. Vissa människor kommer att säga att du inte vet om du öppnar lådan och titta på den. Ja, du kommer att veta om katten är död eller levande när du öppnar lådan, men enligt tolkningen av kvantfysik: detta döda eller levande tillstånd är resultatet av mänsklig observation, det vill säga Mänskliga makro störningar gör katter döda eller levande, inte det sanna tillståndet när lådan är täckt. På samma sätt har mikroskopiska partiklar varit i "döda" och "levande" stater innan de "störs" Det kan sägas att det är både "0" och "1".

Quantum kommunikation har egenskaper hög effektivitet och absolut säkerhet, och det är forskning hotspot av internationella kvantfysik och informationsvetenskap i detta ögonblick. För att spåra ursprunget till kvantkommunikation, måste vi börja med bevis på Einsteins "spöke", quantum trassel.

Eftersom människor har varit skeptiska till samspelet mellan intrasslade partiklar, fysiker har försökt att kontrollera om denna magiska egendom är sant i årtionden.

År 1982 slutförde den franske fysikern Alain Aspect och hans team framgångsrikt ett experiment som bekräftade förekomsten av fenomenet "quantum entanglement" av mikroskopiska partiklar. Denna slutsats Det har en stor inverkan på den traditionella världsbild av västerländsk vetenskap. Eftersom Descartes, Galileo, och Newton, mainstream tänkande i västra vetenskapliga samfundet anser att komponenterna i universum är oberoende av varandra, och samspelet mellan dem begränsas av tid och rum (det vill säga lokaliserade). Quantum trassel bekräftar förekomsten av Einsteins spöklik handling på avstånd. Det bevisar att mellan två ämnen, oavsett hur långt bort, kan de påverka varandra och påverkas inte av fyrdimensionell rumtid. Tvång är nonlocal, och universum har djupa inre anslutningar i världen.

På grundval av kvantanslutna teorin, 1993, föreslog den amerikanske vetenskapsmannen C.H. Bennett begreppet kvantkommunikation (Quantum Teleportation). Quantum kommunikation är en kommunikationsmetod som bär information av kvanttillstånd. Den använder principen om quantum insnärjning av elementarpartiklar såsom fotoner för att genomföra en säker kommunikationsprocess. Införandet av begreppet quantum kommunikation gjorde Einsteins "spooky"-quantum trassel fördel börjar verkligen utöva sin sanna makt.

År 1993, efter Bennett föreslog begreppet kvantkommunikation, sex forskare från olika länder, baserat på teorin om quantum entanglement, föreslog användning av klassiska och kvantmetoder för att uppnå quantum teleportering, det vill säga den okända kvantum av en partikel Staten överförs till en annan plats, och en annan partikel är beredd att kvanttillståndet, och den ursprungliga partikeln kvar på plats. Detta är den ursprungliga grundläggande schemat för kvantkommunikation. Quantum teleportering är inte bara viktigt inom fysiken för människor att förstå och avslöja den mystiska naturens lagar, men också kan använda kvanttillstånd som informationsbärare för att slutföra överföringen av storkapacitet information genom överföring av kvanttillstånd för att uppnå kvantmekaniska oläslig i princip. Konfidentiell kommunikation.

År 1997 samarbetade den kinesiske unge forskaren Pan Jianwei som studerade i Österrike med den nederländske forskaren Bomiister och andra för att förverkliga den avlägsna överföringen av okända kvanttillstånd för första gången. Detta är första gången i världen som ett kvanttillstånd framgångsrikt har överförts från en foton i Jorden A till en foton i Jorden B. I experimentet uttrycks endast kvantinformationens "tillstånd" och fotonen själv som informationsbärare överförs inte.

Efter mer än 20 års utveckling har disciplinen kvantkommunikation gradvis överflyttt från teori till experiment och praktisk utveckling. De viktigaste fälten som berörs inkluderar: kvantkryptografi kommunikation, quantum fjärrteleportering, och quantum tät kodning.

Quantum kommunikationssystem är indelade i två kategorier beroende på om den information de överför är klassisk eller kvantum. Den förra används främst för överföring av kvantnycklar, medan den senare kan användas för distribution av kvantteleportering och kvantsnärjning. Den så kallade osynliga överföringen avser en slags "fullständig" informationsöverföring som är skild från den äkta varan. Ur fysikens perspektiv kan processen för osynlig överföring föreställa sig på följande sätt: först extrahera all information av originalet, och sedan överföra informationen till den mottagande platsen, och mottagaren väljer samma grundläggande enhet som utgör originalet baserat på informationen, och tillverkar En perfekt replik av originalet. Men, osäkerhet principen om kvantmekanik inte tillåter korrekt utvinning av all information av originalet, och denna replik kan inte vara perfekt. Så under en lång tid var teleportering inget annat än en fantasi.

År 1993 föreslog sex forskare från olika länder ett system som använder klassiska och kvantmekaniska metoder för att uppnå kvantteleportering: att överföra det okända kvanttillståndet hos en partikel till en annan plats och förbereda en annan partikel till På kvanttillståndet finns de ursprungliga partiklarna kvar. Grundtanken är att dela upp den ursprungliga informationen i två delar: klassisk information och kvantinformation, som överförs till mottagaren genom den klassiska kanalen respektive kvantkanalen. Klassisk information erhålls genom att avsändaren tar en viss mätning av originalämnet, och kvantinformation är resten av den information som avsändaren inte extraherade i mätningen; efter att mottagaren har fått dessa två typer av information, kan den ursprungliga kvanttillståndet förberedas helt replika. I denna process överförs endast det ursprungliga ämnets kvanttillstånd, inte själva originalämnet. Avsändaren kan även veta ingenting om detta kvanttillstånd, medan mottagaren sätter andra partiklar i det ursprungliga kvanttillståndet.

I detta system spelar icke-orten i de insnärjda staterna en avgörande roll. Kvantmekanik är en icke-lokal teori, som har bekräftats av experimentella resultat som bryter mot Bells ojämlikhet. Därför uppvisar kvantmekanik många kontraintuitiva effekter. I kvantmekanik kan två partikeltillstånd beredas på ett sådant sätt att förhållandet mellan dem inte kan förklaras klassiskt. En sådan stat kallas en intrasslad stat. Quantum entanglement hänvisar till samspelet mellan två eller flera kvantsystem Icke-lokala icke-klassisk association. Quantum teleportering är inte bara oerhört viktigt för människor att förstå och avslöja den mystiska naturens lagar inom fysiken, men också kan använda kvanttillstånd som en information bärare för att förverkliga överföringen av stora kapacitet information genom överföring av kvanttillstånd, som är oläslig i princip. Quantum konfidentiell kommunikation.

År 1997 samarbetade Pan Jianwei, en ung kinesisk forskare som studerade i Österrike, och den nederländske forskaren Bomiister, etc., för första gången för att förverkliga långdistansöverföringen av okända kvanttillstånd. Detta är första gången i världen som ett kvanttillstånd framgångsrikt har överförts från en foton i Jorden A till en foton i Jorden B. Vad som överfördes i experimentet var bara att uttrycka "tillstånd" av kvantinformation, och fotonen själv som en informationsbärare överfördes inte. Snart har Pan Jianwei och hans medarbetare gjort nya genombrott i studien av hur man kan rena högkvalitativa kvant intrasslade stater. För teleportering av kvanttillstånd över långa avstånd är det ofta nödvändigt att tillåta två avlägsna platser att dela det största kvant intrasslade tillståndet i förväg. Men på grund av olika oundvikliga omgivningsljud, kommer kvaliteten på kvant intrasslade stater blir värre och värre när överföringen avståndet ökar. Därför, hur man rena högkvalitativa kvant intrasslad stater är en viktig fråga i kvantkommunikation forskning i detta ögonblick.

Många internationella forskargrupper arbetar med detta ämne, och har föreslagit en rad teoretiska lösningar för rening av kvant intrasslade stater, men ingen av dem kan uppnås med befintlig teknik. Senare upptäckte Pan Jianwei och andra den teoretiska lösningen av kvantinsnärjd tillståndsrening som är experimentellt genomförbart genom att använda den befintliga tekniken, och i princip löst det grundläggande problemet med långväga kvantkommunikation nuförtiden. Denna forskningsprestation har i hög grad utvärderats av det internationella vetenskapliga samfundet och kallas "ett språng i forskning om kvantkommunikation på långa avstånd".