摘 要：量子力学的发展已有近一个世纪，在微观领域起着极为重要的作用，而5G通信技术也越来越成为研究的热门。通过对量子力学与5G通信的发展现状进行分析，创新性地提出了量子力学在5G通信中的应用方案。
关键词：量子力学；5G通信；量子纠缠态；量子态
中图分类号：TN918 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.061
1 量子力学的发展
包括量子场理论在内的量子力学是物理学的一个分支，它是原子和亚原子粒子在小尺度和低能级的自然基本理论。量子力学中存在的物理学，只在小尺寸（微观）尺度才有效。量子力学与经典物理学的不同之处在于，能量、动量和其他数量通常限于离散值，物体具有粒子和波的特征（波粒二象性），并且状态不容易被知道（不确定性原则）。
量子力学起源于马克斯·普朗克在1900年解决黑体辐射问题和阿尔伯特·爱因斯坦1905年的论文，论文中提出了用量子理论来解释光电效应。早期，量子理论在20世纪20年代中期得到了人类深刻的重新认识，后来的理论是以各种专门开发的数学工具来探究的。数学函数波函数提供了关于粒子的位置、动量和其他物理性质的概率幅度的信息。量子理论的重要应用包括量子化学、超导磁体、发光二极管和激光器、晶体管和半导体（例如微处理器）、医学和研究成像（例如磁共振成像和电子显微镜）以及许多解释能量的生物和物理现象。形式上，这些驻留在一个复杂的可分离希尔伯特空间（称为状态空间或系统的相关希尔伯特空间），该空间被很好地定义为一个复数的相位因子。换句话说，可能的状态是希尔伯特空间的投影空间中的点，通常称为复杂的投影空间。希尔伯特空间的确切性质取决于系统。例如，位置和动量状态的状态空间是平方可积分函数的空间，而单个质子的旋转的状态空间只是2个复杂的元素。每个可观察值由最大线性运算符表示为状态空间。可观测值的每个本征状态对应于运算符的特征向量，并且相关联的特征值对应于该本征状态中可观察值的值。如果运算符的频谱是离散的，则可观察到只能获得那些离散的特征值。薛定谔方程作用于整个概率幅度，而不仅仅是其绝对值。而概率幅度的绝对值编码关于概率的信息，其相位编码关于量子态之间干扰的信息。这就产生了量子态的“波状”行为。
2 5G通信的现状分析
METIS是欧盟5G项目，旨在为5G系统奠定基础，并在标准化之前建立共识。METIS针对5G的总体方法建立在现有技术演进的基础上，新的无线电概念得到补充，旨在满足当今无线电接入网络对用例的新的和具有挑战性的需求。这些新的无线电概念（例如大规模MIMO、超密集网络、移动网络和设备到设备、超可靠和大规模机器通信）的集成将使5G能够支持移动数据量的预期增长，同时扩大移动通信在2020年以后可以支持的应用领域范围。需要研究为了推动5G研究方向而确定的方案。此外，本文也将给出满足所识别5G场景要求的技术组件（例如链路级组件、多RAT以及多层网络和频谱处理）的初始指导。随着移动通信日益增长的流量爆炸，近来毫米波频带中大量未充分利用的频谱越来越多地被关注，作为与目前4G蜂窝网络相比，实现数十到数百倍容量的潜在可行解决方案。从历史上看，毫米波段被排除在细胞使用上，主要是由于对短距离和非视距覆盖问题的担忧。频道测量活动的最新成果以及高级算法和原型的开发，清楚地证明了mmWave带可能确实是下一代（5G）蜂窝系统的有价值候选者。对美国和韩国进行了信道测量，并对消声室中的实际自由空间传播测量进行了总结。目前，已有一种新颖的混合波束成型方案及其链路和系统级仿真结果。
3 量子力学的具体应用
“量子5G通信”是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近20年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。光量子5G通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。根据实验，具有纠缠态的2个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另一个也会瞬间发生变化。利用这个特性实现光量子5G通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将2个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。
量子纠缠态理论。经典通信的安全性和高效性都无法与光量子5G通信相提并论。安全性-量子5G通信绝不会“泄密”，具体体现在以下2个方面：①量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信息；②分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中一个粒子的量子态发生变化，另一方的量子态就会随之立刻变化，并且根据量子理论，宏观的任何观察和干扰，都会立刻改变量子态，引起坍塌，因此窃取者由于干扰而得到的信息已经被破坏，并非原有信息。被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态，即同时代表多个状态，例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0～127，光量子5G通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的128次。可以想象，如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的2，以及更高。
4 总结与展望
量子5G通信以其安全性、高效性和高速传输性受到了研究人员的广泛关注，在将来的5G通信研发建设中，量子力学将会发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1]王建秋，嵇英华，余信理.量子通信网络安全性研究[J].电子技术，2009（01）.
[2]徐启建，金鑫，徐晓帆.量子通信技術发展现状及应用前景分析[J].中国电子科学研究院学报，2009（05）.
〔编辑：刘晓芳〕