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1、量子光纤通信系统,0810281材料物理 张泼,量子光通信系统被称为第六代光通信系统，与现有的光通信系统最大的不同是它在通信过程中利用了光的粒子性而非波动性。即它以量子态作为信息载体，信息的传送和处理遵从量子力学规律。由于每个光子都携带信息，因此量子光通信系统具有十分高的通信容量。此外，它还具有高速、安全的特点。,一、引言,二、相关原理,量子光纤通信以量子态作为信息载体，其信息传输的基本单位叫“量子比特”。一个量子比特就是一个二态量子体系所携带的信息，如二能级的原子，光的偏振等1。它需借助纠缠态来实现，在量子通信中，最常见的就是一组被称作Bell基的纠缠态2 第一个态叫做EPR(Einstei
2、n-Podolsky-Rosen)态，是个单态。若以EPR 态作为信道,通过局域Bell 基测量并辅助以经典通信把一个量子态从一个地方传递到另一个地方，便可实现量子通信3。,2.1信息载体和传送过程,2.1.1简单地说,2.1.2具体地说,纠缠态,眼睛不同的颜色是不同的态那么左眼和右眼构成纠缠态,测量波函数坍塌！,验证一下另一只眼睛,两个粒子组成的一种态,不纯的纠缠态,三个粒子纠缠粒子对AB+待传粒子Q,EPR纠缠对：,粒子Q的态未知（就是波函数未知）：,那么三个粒子的态：,|A,B,|Q,|Q,A,B,（如果再引入一个粒子，那么就有三个粒子了）,在下一步之前，还需了解三种变换。下面列出的每一
3、个数学变换对应一个实际的操作。,例如对于电子的两种自旋态（与Z轴平行及反平行），X变换的一个实现是将电子绕X轴转180度，Z变换类似。C-X比较复杂，一个想法需借助测量：如果第一个粒子自旋向上那么不对第二个电子进行改动，否则将第二个电子做一个变换。,实现！,假设两个人叫甲和乙。,了解前面的知识之后，就可以理解量子通信中怎样把一个粒子的态传递出去了。,他们要有事先准备好纠缠对和。,甲手头还有一个粒子，要把它的态（或，信息）传给乙。,甲对和进行变换和测量。得到结果。,乙根据结果对进行变换，把的态变得跟一样。从而得到存在上的信息！,将结果通过其他方式发送给乙。,2003年10月，中国科大潘建伟由于在
4、自由量子态隐形传输以及纠缠态纯化实验实现上的重要贡献，被奥地利科学院授予ErichSchmid奖，成为我国科学家获此殊荣的第一人。,美媒：中国量子传送技术可瞬间传送军事信息,信息效率即一个光子所携带的信息量。可以证明，对于经典信道，一个光子最多可携带1.44比特的信息量，而对于量子通道，这个数字可达69比特4。量子通信的信息效率之所以有这个上限，是最终受到“热光子（混沌光子）”的限制。,2.2信息效率,量子光通信并不能保证没有误码率。它的误码是由涨落引起的。例如在二进制PCM（脉码调制）的情况下，当发射信号“1”时，规定时间内计数到的粒子数服从泊松分布。当发射信号“0”时，计数到的粒子数为0。
5、进一步可以计算“1”的误码率为exp（-N），N为粒子数。“0”的误码率为0。,2.3误码率,跟量子态传递区别,这里介绍量子的非破坏测量。与以往那些需从被测量中吸收一定能量的探测方法不同，量子的非破坏测量保证了测量前后光子数目不会减少，从而可以将信号传送给无数个终端。它利用了克尔效应。见图一，信号光通过能产生克尔效应的晶体，使其折射率随着信号发射变化。探测光分束后一部分也通过晶体，从而与另一部分产生相位差，两束探测光通过干涉和差动检测，便可将信息测量出来。,2.4测量,图一 量子非破坏测量示意图（摘自参考文献4）,使用亚泊松激光器。亚泊松态激光器发射出的光为亚泊松态。处在亚泊松态时，光子数N的
6、不确定度最小，因此这种态的光最适合光量子通信。其原理图见图二。半导体激光器发出数目涨落为N的光量子，通过量子非破坏测量装置的探测并与预先设定的值比较，将差信号作为负反馈送回激光器，从而达到稳定粒子数。由于粒子数和相位满足测不准光系，亚泊松态激光器发射出的光具有较大的相位涨落。,2.5光源,图二 亚泊松态激光器原理图（摘自参考文献4）,2.6结构,量子光通信的原理图见图三。如果进行远距离传输，还需要中继器对信号进行放大。,图三 量子光通信系统原理图（摘自参考文献1）,类似经典的中继技术，Briegel 5等提出了量子中继理论,即分段建立纠缠信道,然后用纠缠交换的方法把它们连接起来。这主要包括纠缠
7、的产生,纠缠的纯化,纠缠的连接三个方面。其中纠缠的纯化是为了修正纠缠的产生中所形成的错误，使态纯化。,2.7中继,13 基于波粒二象性的量子光通信系统的研究，赵义红等，成都理工大学学报（自然科学版），第三十二卷，第五期，2005年10月。2 量子通信和量子计算，李承祖，国防科技大学出版社,P125-P130，2000.94-95。4 量子光通信 董孝义，物理，1989年07期 5 Briegel H J.Quantum repeaters:the role of imperfect local operations in quantum communication J.Physical Review Letters,1998,81:5932.,三、参考资料,
