量子物理和通信的最新發(fā)展PPT通用課件

1、量子物理和通信的最新發(fā)展 二十世紀(jì)的一百年是人類歷史上科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅猛的時期，日新月異的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明改變了人類的生產(chǎn)和生活方式。 二十世紀(jì)科技界公認(rèn)的三項最偉大的成就：第一項：愛因斯坦1905年提出的狹義相對論和1916年提出的廣義相對論。第二項：由普朗克，德布羅意，玻爾，薛定諤，海森堡，玻恩，狄拉克等共同創(chuàng)造的量子論和量子力學(xué)。第三項：美國的沃特森和英國的克里克提出的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。 這三項科學(xué)成就為二十一世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展尊定了基礎(chǔ)。 我們生活的時代是計算機(jī)時代，太空時代和原子能時代。通訊和計算機(jī)十分發(fā)達(dá)，這個時代的到來與物理學(xué)有密切的關(guān)系。 歷史上三次技術(shù)革命都與物理學(xué)

2、有關(guān)：第一次：十八世紀(jì)六十年代，提高蒸汽機(jī)效率，熱力學(xué)發(fā)展，顯示物理學(xué)與技術(shù)的相互依賴性。第二次：十九世紀(jì)七十年代，法拉第和麥克斯韋發(fā)展了電磁場理論。電力技術(shù)的應(yīng)用，通訊得到迅速發(fā)展。第三次：二十世紀(jì)五十年代，量子力學(xué)和相對論，原子能，計算機(jī)和空間技術(shù)的發(fā)展。以計算機(jī)為核心的高新技術(shù)群，掀起了一場技術(shù)革命的浪潮，稱為第三次浪潮。這次意義比前兩次更為重大。起源量子力學(xué)和相對論。 1947年，貝爾實驗室巴丁，布拉頓，肖克萊發(fā)明第一只晶體管。晶體管集成電路大規(guī)模超大規(guī)模 物理學(xué)發(fā)展剄現(xiàn)在是否已到頭了呢? 是否可能在二十一世紀(jì)出現(xiàn)第四次技術(shù)革命? 量子力學(xué)所提供的理論觀點(diǎn)和數(shù)學(xué)方法給我們的世界帶來了巨

3、大的變化，也使我們對這個世界有了新的了解。它的理論觀點(diǎn)和數(shù)學(xué)方法為現(xiàn)代粒子物理，原子分子物理，凝聚態(tài)物理提供了一個新的基礎(chǔ)，也為光化學(xué)，結(jié)構(gòu)化學(xué)提供了物理基礎(chǔ)，也理所當(dāng)然成為現(xiàn)代分子生物學(xué)，生物化學(xué)，微電子學(xué)，光電子技術(shù)，新材料，新能源，生物技術(shù)的基礎(chǔ)。近幾年來，又為現(xiàn)代信息理論提供了新的基礎(chǔ)。介觀物理和納米科學(xué)技術(shù)： 物理學(xué)所研究的系統(tǒng)通常有微觀和宏觀之分，微觀系統(tǒng)的尺度為原子數(shù)量級，即10的負(fù)8次方厘米數(shù)量級，包含個數(shù)不多的粒子。宏觀系統(tǒng)的尺度遠(yuǎn)大于原子尺度，包含大量的微觀粒子，約為阿伏枷德羅常數(shù)數(shù)量級。宏觀系統(tǒng)和微觀系統(tǒng)的最重要的區(qū)別在于它們所服從的物理規(guī)律十分不同，在微觀系統(tǒng)中宏觀規(guī)律

4、 (經(jīng)典力學(xué)規(guī)律)不再適用，需要服從量子力學(xué)規(guī)律。波函數(shù)的相位起著重要作用。 近幾年來，發(fā)現(xiàn)了尺度介于兩者之間的介觀系統(tǒng)。介觀系統(tǒng)的尺度是微觀尺度的10100倍，包含約10的8次方至10的11次方個微觀粒子。介觀系統(tǒng)基本上屬于宏觀范圍，其物理量仍然是大量微觀粒子統(tǒng)計平均的結(jié)果，但粒子波函數(shù)的相位的相干迭加并沒有統(tǒng)計平均掉，量子力學(xué)規(guī)律起著支配作用。介觀系統(tǒng)的量子微觀特征在宏觀測量時仍能觀察到，這不僅有助于對量子力學(xué)和統(tǒng)計物理的一些基本原理進(jìn)行實驗上的檢驗，而且有助于設(shè)計新一代的微電子器件，因此具有重要的應(yīng)用前景。 介觀系統(tǒng)的物理現(xiàn)象之所以引起物理學(xué)家的興趣，一個重要的原因是由于現(xiàn)代工藝技術(shù)的發(fā)

5、展。目前，制作長度在微米，線度為幾十個納米的樣品己不是太困難的事情。一些線狀或環(huán)狀的小尺寸樣品的實驗結(jié)果呈現(xiàn)出與宏觀極不相同的現(xiàn)象，觀察到強(qiáng)烈的量子干涉效應(yīng)。這是電子的波動性在充分地發(fā)揮作用。介觀系統(tǒng)中最能體現(xiàn)電子波動性的是AB效應(yīng)，它是介觀物理發(fā)展的基礎(chǔ)。 近十年來，介觀物理得到了迅猛的發(fā)展，人們對磁場電阻的周期振蕩，金屬環(huán)中的持續(xù)永久電流、電導(dǎo)起伏的普通性、磁指紋、非定域效應(yīng)等介觀尺度上的物理現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，已得到了許多新的研究成果。 納米科學(xué)技術(shù)是在介觀物理、量子力學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)與計算機(jī)、微電子和掃描隧道顯微鏡等先進(jìn)工程技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種研究和應(yīng)用原子、分子現(xiàn)象的全新的科學(xué)技術(shù)

6、。納米科學(xué)技術(shù)的誕生源于掃描隧道顯微鏡的發(fā)明。掃描隧道顯微鏡是基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)制成的新型原子級這一空前高分辨率的電子顯微鏡，是繼第一代光學(xué)顯微鏡和第二代電子顯微鏡之后出現(xiàn)的第三代顯微鏡。掃描隧道顯微鏡不僅可以獲得固體表面原子的圖象，而且可以在自然條件下對生物大分子進(jìn)行高分辨率的直接觀察。 納米電子學(xué)主要研究結(jié)構(gòu)尺寸為納米量級的電子器件和電子設(shè)備。這是一個正處在重大突破前期的領(lǐng)域。眾所周知，制造大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路是發(fā)展高級電子計算機(jī)和電子技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，進(jìn)一步縮小器件結(jié)構(gòu)尺寸始終是當(dāng)今世界高科技領(lǐng)域中的一個追求目標(biāo)。隨著集成工藝技術(shù)的不斷發(fā)展。計算機(jī)的速度幾乎每兩年翻一番，其元件

7、尺寸則每兩年縮小一倍，如今計算機(jī)芯片的線度 (元件聯(lián)線的最小尺寸)只有035微米。而目前關(guān)于半導(dǎo)體的p-n結(jié)的理論至亞微米級以下就失效了?，F(xiàn)有的電子器件尺寸縮小到納米尺度，與電子的德布羅意波長接近時，電子的波動性將起主導(dǎo)作用。 因此，納米電子學(xué)必須采用量子力學(xué)來研究。由于微電子原件尺寸減小受到材料的電子性能和器件加工方法的限制，也受到組裝成本的限制，解決這些問題的出路是在于發(fā)展量子器件，即原子、分子器件，以至于實現(xiàn)量子計算機(jī)。 近幾年來，納米電子學(xué)的研究己取得了重要的突破。美國IBM公司制成了用兩個原子構(gòu)成的隧道二極管，其中一個原子在掃描隧道顯微鏡的探針頂尖，另一個原子在硅片表面。這表明制作原

8、子器件是完全有可能實現(xiàn)的。量子光學(xué) 光的量子學(xué)說最初是由Einstein于1905年在研究光電效應(yīng)現(xiàn)象時提出來的 ，這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第一個重大轉(zhuǎn)折性歷史事件，同時也是量子光學(xué)發(fā)展史上的第一個諾貝爾物理學(xué)獎。 愛因斯坦在其光量子學(xué)說中所提出的有關(guān)光量子這一概念，幾經(jīng)發(fā)展形成了當(dāng)今的光子這一概念，最終導(dǎo)致光子學(xué)理論的建立，并由此帶動了光子技術(shù)、光子工程和光子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。愛因斯坦也是當(dāng)之無愧的激光之父和激光理論的先驅(qū) 。 HBT 實驗新型的光學(xué)干涉實驗(1956年)，被公認(rèn)為量子光學(xué)發(fā)展的奠基性實驗。 從1906年到1956年的這50年時間內(nèi)，有關(guān)光的量子理論的研究工作雖然也曾取得過許多重

9、要成就，但就其總體發(fā)展而言，進(jìn)展仍然是比較緩慢的。其最明顯特征就是光的量子理論尚未形成完整的理論體系。 1960年國際上第一臺紅寶石激光器研制成功，這為量子光學(xué)的快速發(fā)展提供了重要的實驗技術(shù)保障，激光器的發(fā)明者們也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。 1975年，德國物理學(xué)家漢斯提出可以用激光降低原子的動能，從而給原子制冷，漢斯也因提出并開發(fā)飛秒光梳來進(jìn)行頻率測量的技術(shù)而獲得2005年諾貝爾物理學(xué)獎。 1985年，朱棣文小組在貝爾實驗室用6束激光使原子減速，他們通過激光束操控真空中的一束鈉原子，把它引進(jìn)6束激光的交匯處。在此小區(qū)域里，聚集了大量冷原子的發(fā)光氣團(tuán)。在上述實驗中，原子只是被冷卻，并沒有被捕捉

10、到，重力會使它們從激光束交匯處落下來。1987年，朱棣文小組利用一種“磁光陷阱”產(chǎn)生一個比重力大的力，從而把原子控制在陷阱里。此時原子雖然沒有真正被捉住，卻被激光和磁場約束在一個很小的范圍里，從而可以在實驗中加以研究和利用。 由此朱棣文, C.C.Tannoudji和W.D.Phillips因研究原子的激光冷卻與捕獲而分獲1997年度諾貝爾物理學(xué)獎，從而將量子光學(xué)領(lǐng)域的研究工作推向了高潮。 1995年6月美國科學(xué)家康奈爾和威曼用激光冷卻和磁阱中蒸發(fā)冷卻將約2000個稀薄的氣態(tài)銣原子的溫度降低到170nK 低溫下首次觀察到玻色-愛因斯坦凝聚。 1995年10月美國科學(xué)家凱特勒用鈉原子氣體獲得了玻

11、色-愛因斯坦凝聚 ，并觀察到兩個不同凝聚之間的量子干涉現(xiàn)象，康奈爾、威曼和凱特勒共享了2001年度的諾貝爾物理學(xué)獎。 2005年，瑞典皇家科學(xué)院再次決定將2005年度的諾貝爾物理學(xué)獎授予對光學(xué)相干態(tài)和光譜學(xué)研究。其中，發(fā)現(xiàn)光學(xué)相干態(tài)、并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立起光場相干性的全量子理論的美國科學(xué)家Glouber一個人獲得了本年度諾貝爾物理學(xué)獎金的50%，而另外的兩位科學(xué)家則共享本年度諾貝爾物理學(xué)獎金的另外的50%。 不同類型的光場，其根本區(qū)別在于量子統(tǒng)計特性的不同?，F(xiàn)有的光源按其量子統(tǒng)計特性可分為三類，即熱光源，激光和非經(jīng)典光場。量子光學(xué)感興趣的是非經(jīng)典光場，非經(jīng)典光場具有經(jīng)典體系不允許存在的統(tǒng)計性

12、質(zhì)，稱為非經(jīng)典效應(yīng)。已為實驗證實的非經(jīng)典效應(yīng)有壓縮效應(yīng)，反聚束效應(yīng)和亞泊松分布。 量子光學(xué)是研究光場的相干性和量子統(tǒng)計特性以及光與物質(zhì)相互作用的量子特征的學(xué)科。 量子光學(xué)的重要目標(biāo)之一就是制備各種各樣的宏觀量子態(tài)，稱為量子態(tài)工程。即能按照人的意愿來設(shè)計和制備具有特定的量子統(tǒng)計特性的量子態(tài)。 非經(jīng)典光場的產(chǎn)生有以下幾個途徑：無源法(被動法)：將相干態(tài)光場經(jīng)有某種非線性相互作用過程導(dǎo)致非經(jīng)典光場的產(chǎn)生。有源法(主動法)：在產(chǎn)生相干態(tài)光場的裝置中引進(jìn)某種新的機(jī)制，以抑制各種可能的噪聲，從而直接生成在某個力學(xué)量上具有比量子極限還低噪聲的光場。 還可利用量子測量過程對待測系統(tǒng)的反作用來促使該系統(tǒng)向特定宏

13、觀量子態(tài)演化。目前，人們正致力于尋找各種產(chǎn)生非經(jīng)典光場的新的途徑，特別是產(chǎn)生高度壓縮或光子數(shù)完全確定的光場。原子微腔QED-原子與光場相互作用系統(tǒng)超導(dǎo)電路QED (Circuit QED)人工腔QED系統(tǒng)的實驗證據(jù)Stark效應(yīng)真空Rabi劈裂量子信息論 量子信息論是經(jīng)典信息論和量子力學(xué)相結(jié)合的新興交叉學(xué)科?，F(xiàn)有的經(jīng)典信息論以比特作為信息單元，而量子信息科學(xué)則采用量子態(tài)作為信息單元(稱為量子比特)，一旦用量子態(tài)來表示信息，有關(guān)信息的所有問題都必須采用量子力學(xué)理論來處理，信息的演化遵從薛定諤方程，信息傳輸就是量子態(tài)在量子通道中的傳送，信息處理(計算)是量子態(tài)的么正變換，信息提取是對量子系統(tǒng)實行量

14、子測量。量子信息的基礎(chǔ)理論主要有量子糾纏，量子不可克隆，量子疊加性和量子相干性等。 科學(xué)代表著一個時代最為大膽的思想，她純粹是人為的，但我們相信，通過追尋夢想發(fā)現(xiàn)解釋夢想的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個個新領(lǐng)域，世界最終會變得越來越清晰，我們會最終了解宇宙的奧秘，所有的奧妙都是彼此聯(lián)系和有意義的。Edward O. Wilson量子糾纏：量子糾纏是存在于多子系量子系統(tǒng)中的一種奇妙現(xiàn)象，即對一個子系統(tǒng)的測量結(jié)果無法獨(dú)立于對其它子系的測量參數(shù)。 “糾纏”這一名詞的出現(xiàn)可以追溯到量子力學(xué)誕生之初，1935年愛因斯坦等人提出的EPR佯謬 中便已提出了糾纏態(tài)的想法 ，其目的意在說明在承認(rèn)局域性和實在性的前提

15、下，量子力學(xué)的描述是不完備的。玻爾在這個爭論中也看到了，在考慮多粒子時量子理論會導(dǎo)致純粹的量子效應(yīng)。然而 ，無論是玻爾還是愛因斯坦，都沒有洞悉他們所對討論的糾纏態(tài)的全部含義，在經(jīng)過數(shù)十年的努力之后，這些含義才逐漸地被發(fā)掘出來。 Does there exist a spooky force?The quantum mechanics is incomplete and self-consistent?Entanglement隱變量理論Bell不等式CHSH型Bell不等式 法國Aspect小組在1982年作出了第一個公認(rèn)的具有說服力的檢驗Bell不等式的實驗。局域性漏洞1998年奧地利Zeil

16、inger小組在實驗驗證Bell理論時，實現(xiàn)了類空間隔事件的觀察，從而彌補(bǔ)了局域性漏洞。1999年，Aspect在Nature上發(fā)表文章高度評價了這一成果。探測效率漏洞2001年美國Rowe小組也在Nature上發(fā)表了利用離子阱中制造的一對Be離子的糾纏態(tài)來檢驗Bell不等式的文章，從而克服了探測效率漏洞。 現(xiàn)在，量子糾纏態(tài)巳被應(yīng)用到量子信息的各個領(lǐng)域。對量子糾纏的深入研究無論是對于量子信息的基本理論還是對未來潛在的實際應(yīng)用都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響 。Dense codingQuantum cryptography量子不可克?。毫孔恿W(xué)的線性特性禁止對任意量子態(tài)實行精確的復(fù)制。量子不可克隆定理和不確

17、定性原理構(gòu)成量子密碼術(shù)的物理基礎(chǔ)。 1982年Wootters和Zurek在Nature上發(fā)表的一篇短文中提出這樣一個問題：是否存在一種物理過程，實現(xiàn)對一個末知量子態(tài)的精確復(fù)制。使得每個復(fù)制態(tài)與初始量子態(tài)完全相同？該文證明，量子力學(xué)的線性特性禁止這樣的復(fù)制，這就是量子不可克隆定理的最初表述。 量子態(tài)不可克隆是量子力學(xué)的固有特性，它設(shè)置了一個不可逾越的界限。量子不可克隆定理是量子信息科學(xué)的重要理論基礎(chǔ)之一。 量子信息是以量子態(tài)為信息載體(信息單元)。量子態(tài)不可精確復(fù)制是量子密碼術(shù)的重要前提，它確保了量子密碼的安全性，使得竊聽者不可能采取克隆技術(shù)來獲得合法用戶的信息，鑒于這個定理的重要性，近年來人

18、們對它作了迸一步的研究，揭示出更豐富的物理內(nèi)涵。 最子不可克隆定理斷言，非正交態(tài)不可以克隆，但它并沒有排除非精確克隆，即復(fù)制量子態(tài)的可能性。目前主要有兩種克隆機(jī)：普適克隆機(jī)和概率克隆機(jī)。目前，這方面的研究工作與量子秘碼的竊聽，量子態(tài)的測量，重建，確認(rèn)以及量子計算機(jī)中的編程有密切的關(guān)系。 量子相干性：量子比特可以處在兩個本征態(tài)的疊加態(tài)，在對量子比特的操作過程中，兩態(tài)的疊加振幅可以相互干涉，這就是所謂的量子相干性。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在量子信息論的各個領(lǐng)域，量子相干性都起著本質(zhì)性的作用，可以說，量子信息論的所有優(yōu)越性均出自于量子相干性，但由于環(huán)境的影響，量子相干性將不可避免地隨時間指數(shù)衰減，這就是困擾整個

19、量子信息論的消相干問題。消相干引起量子錯誤，防止這些量子錯誤的方法之一就是量子編碼。雖然量子編碼和經(jīng)典編碼的基木想法類似，即要以合適的方式引進(jìn)信息冗余，以提高信息的抗干擾能力，但量子碼不是經(jīng)典碼的簡單推廣。量子糾錯碼：Shor的第一個糾錯方案為量子重復(fù)碼，它利用9比待編碼1比特信息，可以糾正1位錯，Shor的方案簡單，而且與經(jīng)典重復(fù)碼有較直接的類比，但它的效率不高。事實上，Steane的編碼方案對后來的量子糾錯碼影響更大，在該方案中，他提出了互補(bǔ)基的概念，給出了量子糾錯的一般性的描述，并具體構(gòu)造了一個利用7比待來編碼l比特糾1位錯的量子碼。糾1位錯的最佳(效率最高)量子碼也由他們兩個小組獨(dú)立地

20、發(fā)現(xiàn)，該方案利用5比特來編碼l比特。糾多位錯的量子碼情況更復(fù)雜，迄今為止，只發(fā)現(xiàn)一些簡單的糾多位錯的量子碼。 量子糾錯碼適用于獨(dú)立消相干，其優(yōu)點(diǎn)為適用范圍廣，缺點(diǎn)為效率不高。 量子防錯碼：量子防錯碼利用了量子Zeno效應(yīng)。量子Zeno效應(yīng)指出：如果以很高的頻率對一個系統(tǒng)進(jìn)行測量，則系統(tǒng)不會發(fā)生演化。那么，如果以很高的頻率來觀察一個量子系統(tǒng)是否發(fā)生消相干，根據(jù)Zeno效應(yīng)，系統(tǒng)將總是不發(fā)生消相干。量子防錯碼的效率高，但其缺點(diǎn)是測量的頻率要求很高，而且噪聲的增長不能太快。量子避錯碼：量子避錯碼基于消相干中的集體效應(yīng)。郭光燦和Palma小組先后考察了量子比特消相干過程中的集體效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)集體消相干和獨(dú)

21、立消相干具有本質(zhì)的不同，最突出的一點(diǎn)是，對于集體消相干，存在相干保持態(tài)。 相干保持態(tài)是指一類能在噪聲環(huán)境下保持穩(wěn)定的態(tài)。量子避錯碼即是將一個任意輸入態(tài)編碼為一個較高維空間的相干保持態(tài)。對于實際中很重要的一類量子噪聲，郭光燦小組設(shè)計了一個用二比特編碼一比特信息的量子避錯碼方案。意大利的信息小組將該方案推廣到更普遍的噪聲模型，但相應(yīng)地要求用四比特來編碼一比特量子信息。量子避錯碼的優(yōu)點(diǎn)為效率很高，而且不需要進(jìn)行測量和糾錯操作，其缺點(diǎn)為只能適用于克服集體消相干。2000年，美國洛斯阿拉莫斯的實驗小組在實驗上驗證了偏振糾纏光子的相干保持態(tài)。量子通信：在經(jīng)典信息論中，只討論一種信息，即由經(jīng)典比特所表示的信

22、息，信息傳遞的基本方式僅表現(xiàn)為經(jīng)典比特的傳送。而量子信息論包含兩類信息經(jīng)典信息和糾纏。信息傳送的方式有三種，即傳送經(jīng)典比特，傳送量子比特和分享EPR對。 量子通信是量子信息中研究較早的領(lǐng)城，比較典型的通信方式有：量子隱形傳態(tài)，用經(jīng)典輔助的辦法傳送量子態(tài)。 量子密集編碼，即用量子信道傳送經(jīng)典比特。量子通信中還有一個很重要的分支是量子密碼通信，即信息的保密傳送。 量子隱形傳態(tài)：借助于EPR粒子對的量子通道和經(jīng)典通信，可以將某個粒子的未知量子態(tài)(即量子信息)傳送到遠(yuǎn)處，使另一個粒子處于這個量子態(tài)上，而無需傳送原始粒子本身。 1997年年底，奧地利Zeilinger小組在Nature上報道了世界上第一

23、個利用偏振糾纏光子的EPR對實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的實驗結(jié)果，轟動了學(xué)術(shù)界和新聞界。 1998年初，意大利Rome小組也在PRL上報道了未知光子態(tài)的隱形傳送的實驗結(jié)果。 1993年，Bennett等在PRL上發(fā)表了題為“經(jīng)由經(jīng)典和EPR通道傳送未知量子態(tài)”的開創(chuàng)性文章中，提出了一種量子隱形傳態(tài)的方案。量子密集編碼：借助于EPR粒子對的量子通道，通過傳送一個量子比特來實現(xiàn)二個經(jīng)典比特信息的傳送。 量子密集編碼保密性強(qiáng)。1996年，奧地利Zeilinger 小組在實驗上采用偏振糾纏光子的EPR對傳送一個量子比特的信息，從而實現(xiàn)了量子密集編碼。由于Bell基識別的困難，他們只實現(xiàn)了四種操作中的三種，即傳送

24、了1.58比特。 1998年底，美國CIT的實驗小組實現(xiàn)了連續(xù)量子自由度(相干態(tài))的隱形傳送。而美國洛斯阿拉莫斯的實驗小組則實現(xiàn)了核自旋量子態(tài)的隱形傳送。量子密碼通信：現(xiàn)代保密通信采用密鑰K將明文經(jīng)過某種加密規(guī)則變換成密文，然后經(jīng)由公開的經(jīng)典信息通道傳送，后者采用密鑰K通過適當(dāng)?shù)慕饷芤?guī)則將密文變換成為明文。這個過程如果能夠有效地防止任何非法用戶的竊聽，那就是安全的保密通信。 按照密鑰K和K是否相同，密鑰系統(tǒng)可分為對稱密碼(KK)和非對稱密鑰(KK)。數(shù)學(xué)上證明存在有不可破譯的對稱密鑰，即Vernam密碼或一次性便箋式密碼，它要求密碼應(yīng)與明文一樣長，而且僅能使用一次，這種體系需要用戶雙方擁有龐大

25、的相同密碼，因此密鑰的傳送、保管等都極不安全，不易廣泛使用。 目前廣泛用于網(wǎng)絡(luò)、金融行業(yè)的是非對稱密碼，它是一種公開密鑰，加密和解密法則，加密的密鑰K均是公開的，只是解密的密鑰K不公開，只有接收者本人知道，這種密鑰的安全性基于大數(shù)因子分解這樣一類不易計算的單向性函數(shù)。數(shù)學(xué)上雖沒能嚴(yán)格證明這種密鑰不可破譯，但現(xiàn)有經(jīng)典計算機(jī)幾乎無法完成這種計算。 現(xiàn)在計算機(jī)運(yùn)算速度越來越快，過去要幾千年機(jī)時才能破譯的密碼，現(xiàn)在很快就能破譯。例如，1977年美國出了個解密題，其解密需要將一個129位數(shù)分解成為一個64位和一個65位素數(shù)的乘積，估計用當(dāng)時的計算機(jī)需要用4乘10的16次方年才能得出結(jié)果。然而到1994年

26、，只需8個月就可求出結(jié)果。 Shor量子算法證明，采用量子計算機(jī)可以輕而易舉地破譯這種公開密鑰體系。這就對現(xiàn)有保密通信提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。解決這個問題的有效途徑是量子密碼術(shù)。它采用量子態(tài)作為信息載體，經(jīng)由量子通道傳送，在合法用戶之間建立共亨的密鑰。 量子密碼的安全性由量子力學(xué)原理所保證。量子密碼術(shù)原則上可以挺供不可破譯、不可竊聽的保密通信體系。 首先想到將量子力學(xué)用于密碼術(shù)的是美國的Wiesner,他在1970年提出用共軛編碼制造不可偽造的“銀行支票”等。因為他的想法太新奇，論文被拒絕刊登，直到1983年才得以在會議錄上發(fā)表。 在同他的討論中，Bennett和Brassard受到啟發(fā)，于1984年

27、提出了第一個用單光子偏振態(tài)編碼的量子密碼術(shù)方案，稱為BB84協(xié)議，迎來了量子密碼術(shù)新時期。目前，量子密碼的方案主要有四種：(1)基于兩種共扼基的四態(tài)方案，其代表為BB84協(xié)議。(2)基于兩個非正交態(tài)的兩態(tài)方案，如B92協(xié)議。(3)基于EPR佯謬的EPR對方案，由Ekert于l991年提出，稱為EPR協(xié)議或E91協(xié)議。(4)基于正交態(tài)的密鑰分配方案，其基礎(chǔ)為正交態(tài)的不可克降定理。 量子密鑰分配的第一個演示性實驗在1989年由Bennett等人完成。目前的實驗方向有二，即光纖中的量子密鑰分配和自由空間的量子密鑰分配。光纖中的量子密鑰分配實驗己經(jīng)逐漸走向成熟。瑞士報道在日內(nèi)瓦湖底用通信光纜傳送67公里的量子密鑰。日本NEC報道已在100公里光纖中傳送量子密鑰。德英聯(lián)合在3000米山上經(jīng)自由空間傳送23.4公里的量子密鑰。中國科大已實現(xiàn)160公里的量子保密通信，自由空間傳送量子密鑰12米。量子因特網(wǎng)：量子因特網(wǎng)開辟了新型通信系統(tǒng)，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中量子信息的保密發(fā)送，多方分布計算，也可以降低通信復(fù)雜度。 量子因恃網(wǎng)的主要部分是量子存儲器(用于存儲和處理信息)和量