量子纠缠及其在量子通信中的应用

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1、量子纠缠及其在量子通信中的应用吴家燕物理学专业15346036摘要量子理论为我们描绘了一幅与我们容易感知的巾经典力学统治的现实世界有大不同的量子世界图象，而量子纠缠是量子世界特有的现象，在经典世界屮没有对应。纠缠态的制备和各种测璧仍然是现在前沿研究的一个热点话题。这小小的S:子纠缠正在当今世界中，从S:子密码到完全保密的量子通信，从量子计算机到未来的量子互联给人类带来新的希望。关键词量子纠缠量子比特量子隐形量子密钥量子通信正文量子纠缠现象史上最怪、最不合理、最疯狂、最荒谬的量子力学预测便是“量子纠缠”。量子纠缠是一种理论性的

2、预测，它是从量子力学的方程式中得來的。如果两个粒子的距离够近，它们可以变成纠缠状态而使某些性质连接。出乎意料的是，：W:子力学表明，即便你将这两个粒子分开，让它们以反方向运动，它们依旧无法摆脱纠缠态。以电子的“自旋”作例子，电子的自旋直到你观测它的那一刻才能决定，当你观测它时，就会发现它不是顺时针转就是逆时针转。假设有两个互相纠缠的电子对，当其屮一个顺时针转时，另一个就逆时针转，反之亦然。不过奇怪之处是它们并没有真正连接在一起。对量子理论坚信不疑的波尔和他的同事们相信，a子纠缠可以预测相隔其远的电子对的状态，即便它们一个在地

3、球，一个在月球，没有传输线相连，如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺吋针旋转，那么另一个在同一吋刻必定是在逆吋针旋转。换句话说，如果你对其中一个粒子进行观测，那么你不止是影响了它，你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴，而且这与两个粒子间的距离无关。两个粒子的这种怪异的远距离连接，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。波尔所拥护的S子力学方程式表明，相互纠缠的粒子即使相距很远，也可以互相连接。而克劳泽与阿斯佩的实验证明了量子力学的方程是正确的，纠缠是真实的，粒子可以跨越空间连接一一对其一进行测量，确实可以瞬间影响到它远方的同伴，

4、仿佛跨越了空间限制。量子纠缠态特性经典信息的基本单元是比特（bit）,它是一个两态系统，可制备为两个可识别状态中的—个，例如：0或1。量子信息的基本单元称为量子比特（qubit），它也是一个两态系统，且是两个线性独立的态。量子比特的两个可能状态可表示为：

5、0＞和

6、1＞。量子比特和比特之间的最大区别在于量子比特还可以处在

7、0＞和

8、1〉之间的叠加态（superposition）上，因此量子比特的状态可看成是二维复向量空间屮的单位向量。比特可以看成是量子比特的特例。信息用量子态来表示便实现了信息的“量子化”，这是量子信息学的出发点

9、。信息一旦量子化，量子力学特性便成为信息处理过程的物理基础：信息的演化遵从薛定谔方程，信息的传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理和计算是对量子态的么正变换，信息提収则是对量子系统实行量子测量。量子纠缠态是在量子力学多粒子体系中普遍存在的一种量子态.从数学角度来说，当一个量子比特序列无法用各量子比特的张量乘积表示的话，这个量子态就称为纠缠态。量子纠缠是量子信息最核心的部分，几乎所有的量子信息处理过程都与之有关。量子纠缠本来是爱因斯坦等科学家为了证明量子力学的不完备而提出的一种很奇妙的量子概念，但在量子信息学屮却成为一种极

10、某重要的新型资源，并有着大U的应用：如在U子密钥分配屮，基于量子纠缠交挽和量子纠缠纯化的量子屮继器可以克服距离所带来的噪声和消相干;量子隐形传态和量子超密编码是基于量子纠缠而提出的概念。量子通信量子通信利用量子态对信息进行编码、存储与传输。主要包括量子隐形传态与量子纠缠的应用；量子通信信号的产生、传输、接收与检测；量子通信信道的模型。其中，量子信源：以尽可能少的量子比特来表示输入符号，从而将要传输的信息转化成量子比特流：量子编码器：对量子比特流进行编码，达到数据压缩或加入纠错码对抗噪声的目的；量子调制器：使量子信号的特性与信

11、道特性匹配；量子解调器：通过量子操作得到调制前的量子信息；量子传输信道：传送量子信号的通道：辅助信道：经典信道及其它附加信道；量子信道噪声：环境对量子信号影响的等效描述；量子译码器：把S:子比特转化成经典信息；fi子信宿：fi子信息的接收方量子通信中有两个特有的研宄内容：(1)量子隐形传态和纠缠的分发奇异的量子纠缠态的非局域相关性与信息科学相结合，产生了经典通信不可比拟的量子通信，而量子隐形传态就是量子远程通信的典型方式之一.y:子隐形传态的基本思想是将原物信息分成经典的和:w:子的两部分，经典信息由经典信道(电话、电传等方

12、式＞传输，量子信息由量子信道传输，最终将原物信息一一某个粒子的未知量子态从A方传送到B方1993年，Bennett等來自四个国家的六位科学家演示了第一种量子隐形传态方案。方案的工作原理如下：量子纠缠源产生一个EPR对，Alice和Bob各拥有其屮的一个，记为粒子B1和B2。现在Alice和