量子通信教学课件PPT.ppt

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1、量子通信技术量子通信技术引言什么是量子信息引言什么是量子信息 信息科学面临挑战任何信息系统都是物理装置，必须按照物理定律运行。那么物理定律对信息系统有着什么样的限制？引言什么是量子信息 现有计算机的运算速度能无限制地增长吗？1965-1995年微处理器与存储器芯片集成度的提高基本符合Moores Law.Gordon Moore,Intel公司的创始人之一.引言什么是量子信息量子力学的奇妙特性量子力学是20世纪自然科学发展的台柱之一。但是自量子力学诞生以来，科学界关于量子力学基本问题一直进行着激烈的争论，争论双方都是科学界权威，其代表人物是爱因斯坦和玻耳。引言什么是量子信息经典力学：宏观物质的

2、运动规律。量子力学：微观粒子的运动规律自然界的运动规律争论焦点：自然界是否确实按量子力学的规律运行？引言什么是量子信息经典物质特性：每时刻的位置、速度完全确定，有确定的运行轨迹，遵从牛顿力学。引言什么是量子信息经典的波特性：充满整个空间，遵从经典电磁场理论。引言什么是量子信息微观粒子特性：具有粒子性和波动性。设想空间中有一个微观粒子，任何时刻有可能在空间中任何点探测到粒子（类似经典波的特性），但一旦探测到只能在其中一个探测器处发现该粒子（类似经典粒子的特性）。CABA,B,C,为探测器引言什么是量子信息Experimental arrangement of a two-slit experim

3、ent for electrons.Two paths are made available to the electron beam.(A.Tonomura et al.:American Journal of Physics 57(1989)117)Detector output is displayed on a TV-monitor shown here in a set of frames;the first frame is early on;the last after a long time of impact collection.The interference patte

4、rn is slowly built up by impacts of individual particles.引言什么是量子信息经典粒子在某个时刻只能处于确定的物理状态上；量子粒子则可以同时处于各种可能的物理状态上（叠加态）。量子信息是经典信息的扩展和完善，正如复数 z=x+iy是实数的完善和扩展。什么是“量子比特”以比特(0或1)作为信息单元,称为经典信息。01011101001011101100001101001100以量子比特作为信息单元,称为量子信息。引言什么是量子信息“量子比特”与“比特”有何区别？以单光子作为信息物理载体为例:经典信息：有光子代表“1”，无光子代表“0”1000

5、111引言什么是量子信息“量子比特”与“比特”有何区别？量子信息：以光子的量子态表征信息如约定光子偏振态，圆偏振代表“1”，线偏振代表“0”（每个脉冲均有一个光子）。0101010偏振态经典比特引言什么是量子信息量子态有何特殊性质？D1D2单光子分束器光电探测器上下引言什么是量子信息一则漫画引言什么是量子信息u量子信息过程遵从量子力学原理，于是可实现经典信息无法做到的新信息功能。如量子密码量子通信网络量子计算 引言什么是量子信息 量子不可克隆定理：不存在物理过程可精确地复制任意量子态。量子克隆机ABAB量子密码安全性的基础量子信息提取不可逾越的障碍引言什么是量子信息薛定谔猫引言什么是量子信息E

6、PR效应AEPR粒子对B非局域性：对A（或B）的任意测量必然会影响B（或A）的量子态，不管A和B分离多远。量子纠缠态AB构成“量子通道”。主要内容主要内容n量子计算对现代密码的挑战量子计算对现代密码的挑战n量子通信的基本原理量子通信的基本原理n量子密码技术的发展现状量子密码技术的发展现状n拟定的研究方向拟定的研究方向一、量子计算对现代密码的挑战一、量子计算对现代密码的挑战经典密码对称密钥（私钥技术）非对称密钥（公钥技术）对称密钥（私钥技术）非对称密钥（公钥技术）对称密钥类似于Alice用钥匙锁住的装有信件的保险箱，Bob需用该钥匙的一个复制品来打开信箱获取信件。非对称密钥类似于一个任何人都可以

7、投递信件的邮箱，只有合法所有者才能打开它获得信件。经典密码安全性计算安全性计算安全性（原理上可破译）破译密码将耗费大量的时间和资源 例：非对称的RSA密码；对称密码DES等；无条件安全性无条件安全性（原理上不可破译）无论窃听者的能力如何强大，无法破译 例：对称密码的One time pad例 N=129N=129位，位，19941994年年16001600台工作站花了台工作站花了8 8个月分解成功。个月分解成功。一旦量子计算机研制成功，用一旦量子计算机研制成功，用20002000个个QubitQubit的量子计算机只要的量子计算机只要1 1秒钟即可以分解成功。秒钟即可以分解成功。现有的基于大数

8、分解的现有的基于大数分解的RSA密钥将无密可保密钥将无密可保。量子计算机的诞生将攻破现有密码体系。量子计算机的诞生将攻破现有密码体系。实现量子计算已不存在不可逾越的障碍。实现量子计算已不存在不可逾越的障碍。量子技术时代，量子密码是唯一可抵抗量子计量子技术时代，量子密码是唯一可抵抗量子计算攻击，确保信息安全的密码技术。算攻击，确保信息安全的密码技术。二、量子通信基本原理二、量子通信基本原理量子通信的绝对安全性：量子密钥分配为什么是安全的？量子密钥分配为什么是安全的？n以以单单光光子子(量量子子)携携带带信信息息,不不怕怕敌敌人人分分取取信信息息;(1个光子只携带个光子只携带1比特信息比特信息)n

9、量子不可克隆定律保证敌人不可能拷贝信息量子不可克隆定律保证敌人不可能拷贝信息;n测测量量塌塌缩缩原原理理保保证证了了敌敌人人测测量量重重发发可可以以被被发发现现!从从物物理理原原理理上上保保证证了了密密钥钥分分配配的的绝绝对对安全安全!发方发方：随机选一个信息嵌入方式：随机选一个信息嵌入方式,将随机的将随机的0或或1编入光子的量子态编入光子的量子态,发给收方；发给收方；收方收方：随机选一个信息读取方式读出光子携带的：随机选一个信息读取方式读出光子携带的0或或1；收方收方：告诉发方每个光子的读取方式；：告诉发方每个光子的读取方式；发方发方：告诉收方哪些光子的读取方式是正确的；：告诉收方哪些光子的

10、读取方式是正确的；双方双方：将信息嵌入方式和信息读取方式一致的那些比特作为密钥！：将信息嵌入方式和信息读取方式一致的那些比特作为密钥！（备注：一个脉冲只含一个光子）（备注：一个脉冲只含一个光子）量子信道量子信道经典信道经典信道传送量子态光子传送同步信号、对照数据等发方收方01量子密钥分发的实现量子密钥分发的实现中科院量子信息重点实验室11011101n 具有代表性的量子密钥分配协议具有代表性的量子密钥分配协议单光子协议单光子协议1.BB84 （Bennett&Brassard,1984)2.B92 （Bennett,1992)3.SARG04（Scarani,Acn,Ribordy,Gisin

11、2004）EPREPR协议协议nE91（Ekert,1991)三、量子密码技术的发展现状三、量子密码技术的发展现状量子密钥分配的主要实现方案量子密钥分配的主要实现方案美国美国NIST，Los Alamos，IBM，Stanford University 欧洲欧洲Toshiba Cambridge，Geneva University,University of Vienna 日本日本NEC，NTT，Mitsubishi加拿大加拿大University of Toronto,University of Waterloos,University of Montreal 中国中国中国科技大学，山西大

12、学，清华大学，北京大学，华东师大，华南师大，中国科技大学，山西大学，清华大学，北京大学，华东师大，华南师大，当前主要研究小组当前主要研究小组基于分离变量的量子密码实验研究进展基于分离变量的量子密码实验研究进展光纤光纤QKD实验实验10 km，Towsend,199330 km，Towsend,199355 km，Towsend,199848 km 地下光纤，地下光纤，Los Alamos,2000瑞士日内瓦湖下瑞士日内瓦湖下67km光纤，光纤，Gisin,2002122km,Shield,2004(GYS)125 km 北京北京天津商用光纤天津商用光纤,中科大，中科大，2004200 km 差

13、分相位，差分相位，Yamamoto,2007自由空间自由空间QKD32 cm，Bennett,1989150 m，John Hopkins大学大学,1996年年205 m，美国，美国Los Alamos,19981.6km，日光背景下，日光背景下，Los Alamos,200010km，Los Alamos,200223.4 km,英德联合英德联合,2002730m GHz重复率重复率 QKD，NIST,2004144 km 诱骗态诱骗态QKD实验，实验，Zilinger,2007四、拟定的研究方向四、拟定的研究方向基于连续变量的量子通信技术基于连续变量的量子通信技术密钥传输速率快：密钥传输速

14、率快：频带宽度大，信息容量大；频带宽度大，信息容量大；探测效率高；探测效率高；量子态产生无条件；量子态产生无条件；星星-空量空量子密钥分子密钥分配配星星-海量子海量子密钥分配密钥分配连续变量自由空间量子密码系统连续变量自由空间量子密码系统 探索连续变量在空间量子密探索连续变量在空间量子密钥分配上的应用。钥分配上的应用。连续变量光纤量子密码系统连续变量光纤量子密码系统星星-地量地量子密钥分子密钥分配配 建立基于连续变量的量子保建立基于连续变量的量子保密通信系统，突破目前通信距离密通信系统，突破目前通信距离极限，建立高速、安全的量子密极限，建立高速、安全的量子密钥分配平台。钥分配平台。谢谢大家！谢谢大家！