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量子通信主要涉及量子隱形傳態和量子密鑰分發兩類。量子隱形傳態可以看著為真正的量子通信，而量子密鑰分發完成的功能則實質上是對現有通信方式進行加密的一種技術手段。

量子密鑰分發是借助對量子疊加態的傳輸與測量，獲取共享的安全的量子密鑰，然后通信雙方均使用與明文等長的密碼進行逐比特信息加密解和密操作，實現無條件juedui安全的保密通信。

1、量子密鑰的產生與分發

如下圖（a）所示為傳統加密通信的步驟：先由發信者A寫好明文，然后通過加密算法和密鑰，對明文進行一定的數學運算后編制成密文，再由通信傳輸信道將密文傳遞給收信者B，B通過加密算法的逆運算和密鑰，把密文翻譯還原成明文。這種加密通信的關鍵要素是密鑰。對于第三方來說，可以通過有線或無線電波截獲密文。如下圖（b）所示在從光纖截獲數據時，可以通過彎曲光纖獲取外泄部分光信號進行竊聽。但如果沒有密鑰，竊聽到的密文是難以理解的。用來加密信息的密鑰Zui初是密碼本，后來演進為密碼機、RSA等加密算法。但隨著超級計算機越來越強大的算力，破解算法的速度也越來越快。在這種情況下，沒有任何密鑰是juedui安全的。再復雜的算法，破解起來只是時間和資源的問題。

為了做到信息的真正的juedui安全傳輸，信息論創始人克勞德.香農經過嚴格的理論證明認為需要滿足三個條件：其一是密鑰是隨機的；二是密鑰只使用一次；三是密鑰與明文等長且按位進行二進制異或操作。要做到這三點就需要大量的密鑰，而密鑰的更新和分配存在被竊聽的可能性。所以，不解決密鑰分發的問題，就不可能實現無條件安全。這也導致了在香農發布這一成果之后，根本沒有人能夠使用這種方式。而量子密鑰分發，則可解決這個問題！

1984年，IBM公司的研究人員Bennett和蒙特利爾大學的學者Brassard在印度召開的一個國際學術會議上提交了一篇論文《量子密碼學：公鑰分發和拋幣》，被稱為BB84協議。該協議把密碼以密鑰的形式分配給信息的收發雙方，因此也稱作量子密鑰分發。具體的方法如下：

（1）選取測量基和偏振光  利用光子有相互垂直兩個偏振方向的特性，讓單光子源每次生成的單個光子只有0°、90°、45°、135°四種可能的方向。然后簡單選取水平或垂直或對角的測量方式對單光子進行測量，所采用的測量方式被稱之為測量基，如圖下圖所示。

當測量基和光子偏振方向一致，就可以得到1或0的結果；當測量基和光子偏振方向偏45°，就有50%的概率得到1或0。如下圖所示。

（2）生成一組二進制密鑰  發送方首先隨機生成一組二進制比特0、1碼。例如：01100101。然后發送方對每個比特，隨機選擇測量基。例如下圖(a)所示。所以，發送的偏振光子分別是下圖（b）中虛框中所示的偏振方向。

(3)接收方選擇測量基并對輸入光進行測試  接收方收到這些光子之后，隨機選擇測量基進行測量，例如依次選擇圖(c)所示測量基，則對輸入偏振光的測量結果為圖(d)虛線框內所示。

(4)獲取Zui終密鑰  發收雙方通過傳統方式進行通信，對比雙方的測量基，僅將測量基相同的數據保留，不同的拋棄。保留下來的數據1001就是Zui終的密鑰，如下圖所示。

2、量子密鑰的安全性

如果存在一個竊取者只竊聽到發方和收方對比測量基，那竊取者會得到這樣的信息：不同|不同|相同|相同|不同|不同|相同|相同。這個對他來說，沒有任何意義。

因為量子的不可克隆性，竊取者沒有辦法復制光子，因此只能搶在收方之前進行測量。測量時他也要隨機選擇自己的測量基，如果是測量剛才那一組光子，他有一半的概率和發方選擇一樣的測量基，這對光子偏振方向無影響，還有一半的概率，會導致光子改變45°偏振方向，而這改變的部分將影響接收方的測量準確率。在沒有竊取者的情況下，發和收之間采用相同測量基的概率是50%。所以，發和收之間拿出一小部分測量結果出來對比，有50%相同。有竊取者的情況下，發和竊取者之間采用相同測量基的概率是50%。收和竊取者之間采用相同測量基的概率是50%。所以，發和收之間拿出一小部分測量結果出來對比，有25%相同。由此，可以判定一定有人在竊聽。通信停止，當前信息作廢。

對于單個比特來說，竊取者有25%的概率不被發現，但是現實情況juedui不止1個比特，而是N個數量級的比特，所以，竊取者不被發現的概率就是25%的N次方，也就是竊取者不被發展的概率極低。因此，量子密鑰分發使通信雙方可以生成一串juedui保密的量子密鑰，用該密鑰給任何二進制信息加密，都會使加密后的二進制信息無法被解密，這就從根本上保證了傳輸信息過程的安全性。

3、量子通信的應用

由于量子通信juedui安全的特性，量子通信在軍事通信、政府保密通信、民用通信上都將帶來顛覆性的變革，未來市場樂觀。在國民經濟領域，量子通信可用于金融機構的隱匿通信等工程以及對電網、煤氣管網和自來水管網等重要基礎設施的監視和通信保障。在國防和軍事領域，量子通信能夠應用于通信密鑰生成與分發系統，向未來戰場覆蓋區域內任意兩個用戶分發量子密鑰，構成作戰區域內機動的安全軍事通信網絡；能夠應用于信息對抗，改進軍用光網信息傳輸保密性，提高信息保護和信息對抗能力；能夠應用于深海安全通信，為遠洋深海安全通信開辟了嶄新途徑；利用量子隱形傳態以及量子通信juedui安全性、超大信道容量、超高通信速率、遠距離傳輸和信息高效率等特點，建立滿足軍事特殊需求的軍事信息網絡。下圖所示為已全線貫通，連接了包括北京、濟南、合肥和上海等地城域網的量子通信“京滬干線”。

傳統經典的計算機所完成的所有計算，都是將數據轉換成二進制代碼，然后存放在存儲中并進行基于晶體管所構成的邏輯電路的計算。隨著集成電路工藝接近1nm線寬，PN結也越來越薄，導致許多載流子可以穿過PN結造成漏電，這樣集成電路中晶體管也就難以維持0或1狀態，計算機的硬件發展也就走到了盡頭。目前一種挖掘計算機潛力的辦法是采用碳半導體取代硅半導體，利用碳半導體的電子比硅半導體中的電子更穩定的特點來減少載流子穿越PN結，從而使PN結可以做得更薄，集成電路的集成度可以做得更高。然而PN結的寬度總會是有限的，因此計算機的硬件發展總會走向盡頭。隨著近年來量子力學的進展，人們越來越多的關注量子計算，希望從中找到新的突破。

量子計算的概念Zui早由IBM的科學家R.Landauer及C.Bennett于20世紀70年代提出，他們主要探討的是計算過程中諸如自由能、信息與可逆性之間的關系。20世紀80年代初期，美國阿崗國家實驗室的P. Benioff提出二能階的量子系統可以用來仿真數字計算；稍后費因曼也對這個問題產生興趣而著手研究，并在1981年于麻省理工學院舉行的一場演講中，勾勒出以量子現象實現計算的愿景。1985年，牛津大學的D. Deutsch提出量子圖靈機的概念，量子計算才開始具備了數學的基本形式。然而上述的量子計算研究多半局限于探討計算的物理本質，還停留在相當抽象的層次，尚未進一步跨入發展算法的階段。目前的量子計算被看作是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。對照于傳統的理論模型基于通用圖靈機的計算機，通用的量子計算機的理論模型是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。

1、量子比特并行存儲

量子位或稱量子比特（qubit）是量子計算的理論基石。在經典的計算機中，信息單元用二進制的比特位（bit）來表示，它不是處于0態就是處于1態。普通計算機中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進制數00、01、10、11中的一個。類似地，N位經典存儲器只能存儲2N個可能數據中的任一個。

在二進制量子計算機中，信息單元稱為量子位，它除了處于0態或1態外，還可處于疊加態。根據量子力學態疊加原理，量子信息單元的狀態可以處于多種可能性的疊加狀態，如公式所示的|量子比特> = a|0> + b|1>。

疊加態是0態和1態的任意線性疊加，它既可以是0態又可以是1態，0態和1態各以一定的概率同時存在，即是說可以同時處于兩種狀態而不是單一狀態。通過測量或與其他物體發生相互作用而呈現出0態或1態。任何兩態的量子系統都可用來實現量子位，例如氫原子中的電子的基態和第1激發態、質子自旋在任意方向的+1/2分量和-1/2分量、圓偏振光的左旋和右旋等。

量子計算機中的2位量子比特或叫量子位（qubit）寄存器，可同時存儲00、01、10、11這四種狀態的疊加狀態。類似地，N位量子存儲器可以同時存儲2N個數，而且隨著N的增加，其存儲信息的能力將按指數上升。例如一個由250個原子構成的量子比特存儲器，可能存儲的數量達到2250個。

2、量子比特的并行運算

如果把量子考慮成磁場中的電子，電子的旋轉可能與磁場一致，稱為上旋轉狀態，或者與磁場相反，稱為下旋狀態。如果我們能在消除外界影響的前提下，用一份能量脈沖能將下自旋態翻轉為上自旋態，那么，我們用一半的能量脈沖，將會把下自旋狀態制備到一種下自旋與上自旋疊加的狀態上，這時電子處在每種狀態上的概率為二分之一。這表明量子比特可以制備在兩個邏輯態0和1的相干疊加態，即1個量子比特可以同時存儲0和1。對于n個量子比特而言，它可以承載2n次方個狀態的疊加狀態。而量子計算機的操作過程被稱為幺正演化，幺正演化將保證每種可能的狀態都以并行的方式演化。這意味著量子計算機如果有500個量子比特，則量子計算的每一步會對2500種可能性同時做出了操作。2500是一個很大的數，它比地球上已知的原子數還要多。這是真正的并行處理，當今的經典計算機，所謂的并行處理器仍然是一次只做一件事情，這也是量子計算機具有難以想象算力的機理所在。如下圖所示為目前我國研制出的62比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，用Zui短1.2個小時就能完成世界Zui強的超級計算機8年才能完成的任務。