基础上延伸至最新的量子通信研究及应用。
关键词：量子纠缠；量子退相干；量子避错；不确定性原理
中图分类号：TN914文献标识码：A文章编号：1005-3824（2013）05-0007-04
0引言
传统的光网络将光作为信息的载体，根据光强度或相位进行调制，从而实现在经典物理通道中的高速传输[1]。未来网的光网络是建立在自然界规律之上的，将量子作为信息的载体，根据量子不确定特性，利用量子纠缠制备和量子退相干特性，实现量子的隐形传态以完成信息的整个传递过程。量子通信是未来网发展的重要技术，量子通信的关键性问题的理论分析和应用实现是下文探讨的重点。
1量子通信产生的背景
当前的信息科学面临的主要问题有2点：一是计算能力能否满足摩尔定律无限度的增长；二是现有的密码体系是否绝对的安全[2]。鉴于当前信息科学面临的挑战，量子通信和量子计算逐步成为信息科学领域研究的重要学科分支，也将成为未来网络重要的支撑技术。量子通信是将物质微观世界的奇特性质运用至通信领域的高新技术，更高速的传送和完备的保密性受到业界广泛的关注和偏好，量子通信将逐步成为信息通信新的主宰。
2量子网络及其包含的元素
量子网络是不可划分的最小物理量的资源网，不确定状态下的量子比特在规则下有目的地在网络中隐型传态。根据传统定义，量子网络是指由量子节点和量子传送通道组成的信息网络。量子网络的网络形态与目前互联网网络形态是一致的，但在实现上采用的是不同的技术手段。互联网是基于经典物理理论的节点和其相互连通通道的集合，而量子网络是基于量子力学理论的量子计算节点和其互连通道的组成。每个量子节点有一定的信息处理能力和存储容量，单个量子节点就相当于是一个小型的量子计算机，而量子通道则将量子节点进行互连。不同于现有互联网，全量子网络应用了量子物理特性，可突破现有网络物理极限，具有更强信息传态和处理能力。中国的全量子网络项目系国家973计划重大科学问题导向项目，预计在2016年将建成全量子雏形网络，届时光纤通信距离将达到150 km，量子节点存储速度将达到ms级[3]。
3实现量子通信的关键性问题探析
量子通信是建立在量子力学基础之上的。量子力学是人类在生产实践中不断认识自然和不断探索自然本质的结晶产物，是对微观世界最小单位的运动规律的精确描述和验证。量子通信作为量子信息技术的重要分支，是以量子力学的量子叠加态理论为基础，研究信息处理的一门前沿科学。在量子通信中，信息的产生、表示和存储都离不开量子态及其演化过程。
量子纠缠和量子退相干是量子通信实现的关键性问题。量子纠缠态是微观世界中的奇异现象，其呈现独特的量子关联特性，是各种量子态中重要的一类，也是量子信息任务处理的基础物理资源，量子通信的隐形传态是基于量子纠缠态的重要应用。量子退相干是量子信息得以实现的关键，量子体系具有根本性区分经典物理体系的特征是量子相干性，这是量子信息得以存在的基础，量子退相干会导致量子信息塌缩为经典物理体系中的信息，从而令量子通信无法实现。量子具有脆弱性，量子设备的写入和读出就是量子制备和量子测量，测量行为会导致量子相干性被破坏，逐步衰减以致消失。综上所述，如何引导量子状态和保持量子相干性，对于量子通信的实现具有决定性的意义。
3.1量子纠缠、量子度量及其应用
量子纠缠遵循不确定性原理，对一个多量子子系统的测量结果不能独立于其他子系统的测量参数，也就是子系统之间不论距离有多远，也不能孤立研究这些子系统的性质。量子纠缠这种奇异现象，表现中存在灵魂区域的相关性，无法用经典的定域实在性进行解释。
量子纠缠存在2点引起物理学家研究的原因：一是在测量中引起塌缩具有非定域的关联，是一种超空间的关联，关联下的深度应用挖掘，在量子通信中具有极大的技术价值；二是量子退相干是量子信息的主要衰减方式，量子与环境不可避免存在退相干性是量子通信实现的巨大障碍，如何应用这种特性，对于量子通信技术的开发具有广阔的前景。
量子纠缠态的测量涉及量子纠缠度量，以定量对量子纠缠态进行分析，从而判定量子纠缠态。量子纠缠态的作用场景涉及原子和腔场非共振的情形，将在下文中的二能级原子和双模光场相互作用模型对量子纠缠特性进行解析。解析表达的量子纠缠问题主要有2个：一是原子和腔场间失谐量的变化对原子纠缠度程度的影响；二是原子与腔场间的耦合强度的变化对原子间纠缠周期大小的影响。
量子态有纯态和混合态之分。纯态是指一个量子系统能用单一态矢量或由希尔伯特空间的一个态矢量描述的叠加态。混合态是若干纯态的非相干混合，纯态间不存在固定的关联关系，需要用一组态矢量与其在系统中对应出现的几率进行描述。
量子纯态和混合态有2种统一描述的方法：一是密度算符；二是波函数的几率幅。密度算符是用密度矩阵对物理体系状态进行描述，波函数的概率幅是用波函数对物理体系状态进行描述，2种方法是等价的。本文采用密度矩阵对量子进行测量，从而得出微观系统运动规律的全部信息。
量子纠缠态可以用密度算符建立密度矩阵进行评判。若体系密度能表示成密度算符直积线性和的形式，那量子态就是处于可分离状态的。若体系密度不能表示成密度算符直积线性和的形式，那量子态就是处于纠缠状态的。
量子纠缠态的定量分析涉及量子纠缠的度量，将量子系统中量子纠缠态的大小进行量化。量子纠缠度量虽然缺少一般性的可操作的纠缠度量，但其理论基础已经比较完备，对于简单的两体纠缠描述是完整的。量子纠缠度量的基本方法有5种：部分熵纠缠度、形成纠缠度、可提纯纠缠度、相对熵纠缠度和共生纠缠度。下面的二能级原子与双模光场的相互作用模型将用形成纠缠度对两体纠缠进行度量分析，这是因为二能级原子和双模腔场会演化为混合态，而混合态中唯一具有计算公式的纠缠度是形成纠缠度。
依据上述量子态定义和度量工具的简要介绍，由此建立量子纠缠度的研究模型对纠缠态的演化进行展现。杰卡（JC）模型是单个二能级原子与单模光场的相互作用模型，通过光与物质的相互作用以描述自然界的主要物理性质。JC模型是利用原子波包的宽度与腔场模共振波长相比很小的条件，忽略原子在腔场中的运动，把原子视为静止，原子与光场的相互作用就相当于均匀分布在量化的光场中，从而得出哈密顿量用以描述单个二能级原子与单模光场的相互作用模型，再将哈密顿量放入薛定谔作用场景中，最后演化为纠缠的量子叠加态[4]。在JC模型的基础上，可以建立2个全同二能级原子与双模光场的相互作用模型，模型中对于成混合态的二原子，要采用部分转置矩阵的负本征值对原子间纠缠演化进行讨论。依据此模型的数学公式，可以得出原子间纠缠演化随失谐量变化的规律和原子与腔场间的耦合强度的变化与原子间纠缠周期大小的变化规律。原子间纠缠演化随失谐量变化的规律是失谐量越大，纠缠振幅越小，越接近最大纠缠。原子与腔场间的耦合强度的变化与原子间纠缠周期大小的变化规律是原子与腔场间的耦合强度越大，相互作用越强，原子间纠缠周期越小[5]。
3.2量子防错码的实现
量子通信节点具有量子计算功能，量子计算涉及量子退相干，量子退相干对量子计算有双重作用：一方面，量子退相干会导致量子叠加态的塌缩，造成量子计算持续间隔时间的大幅缩短，对量子计算起着阻碍作用；另一方面，量子计算完成时需要退相干返回一个计算结果，呈现一个经典的物理态。由此可见，量子退相干对于量子通信是十分重要的，对量子退相干进行定量分析和减小其对量子计算的负面影响是业界研究的重点。
量子比特就是量子态的叠加，量子态的演化遵循薛定谔作用场景，量子比特的传态就是将量子态进行传递，利用测量将量子态信息进行提取，再通过量子态的幺正变换还原出量子态，最后实现量子通信。测量仪器的介入会破坏量子态的相关性，依据海森堡的不确定性原理可知，测定一个量会导致另一个量不能被准确测量，测量行为的扰动会造成量子相干行为的模糊，引起量子态的退相干。
量子退相干理论从上世纪70年代以来，取得了长足的发展，逐步形成量子力学的一个重要分支。量子退相干可以认为是环境和系统的相互作用，用矩阵密度可以描述系统的退相干过程，在密度矩阵中呈现了退相干的数理关系，密度矩阵的对角线上的参数是退相干后的经典物理的几率态，而其他密度矩阵非对角线上的参数是量子相干态。从矩阵密度参数由非对角线变化向对角线变化，就可以模拟出量子退相干的演化过程。
在量子退相干理论研究基础上，克服量子退相干的方法取得了实质性的进展，量子编码是其中的重要途径。量子编码主要有3种方案：量子纠错码，量子避错码和量子防错码。量子纠错码和量子避错码是基于冗余的经典信息处理方法的衍生，实现难度很大。量子防错码属于另辟道路的创新方法，由郭光灿为代表的科学家们提出，利用相干保持态，也就是量子退相干过程中不遭破坏的量子特殊态，以达到无退相干的可靠量子计算目的。在实际操作中，量子避错码被验证是可行的，并且改变量子测量仪器和被测系统之间的耦合系数可以减小量子退相干。
量子退相干与宏观测量仪器建立起的关联，体现了量子测量的本质，把量子相关性放大到了宏观层面，是一种具体的表现。退相干时间的延长是量子通信实现的关键，量子退相干时间越长相应的计算次数就越多，量子计算的能力也就越强。根据量子纠缠的研究理论模型，采用量子度量是可以得出量子退相干的时间尺度的。上文已表述出，量子退相干是矩阵密度的对角线化过程，那么退相干时间尺度的研究仍然是可以放置在哈密顿空间中，采用线性熵对时间进行微扰展开，从而得出量子退相干的时间尺度度量方法。
量子退相干的时间尺度度量实现如下：首先将相互作用的子系统用哈密顿量表示；再将系统密度算符演化为薛定谔表象；最后用线性熵得出退相干时间尺度的数学表达式。在公式中，只要哈密顿量和初始态确定，系统退相干时间就能求出。量子退相干时间尺度根据其研究模型，可以得出量子退相干的影响因素，就是原子初始状态、原子间偶极相互作用、原子与光场的耦合强度和粒子场数。在计算机上进行模拟，可以得出以下规律：原子初始状态能影响原子与场的纠缠度、粒子场能影响原子与场的纠缠周期和纠缠幅度、原子与场的耦合强度影响原子与场的演化周期和原子间耦合相互作用能影响原子与场的纠缠周期和纠缠幅度。
在量子纠缠量的制备上，对上述量子退相干影响因素进行合理的控制，能极大提升量子计算性能，对量子通信的实现也具有巨大的实际意义。
3.3量子通信及其简要实现
量子通信在现实世界中的实现是建立在量子纠缠制备和隐形传态基础之上的。量子纠缠制备是指产生EPR （electron paramagnetic resonance，电子顺磁共振）源，其作用是与承载信息的未知量子态发生关联，以此为未知量子态隐形传态创造前提条件。量子纠缠制备的方法主要有3种：自发参量下转换制备光子纠缠，QED（腔量子电动力学）法和离子阱法，这里只对自发参量下转换制备光子纠缠进行简要介绍。
自发参量下转换制备光子纠缠分I型和II型。I型是光泵浦源经过同质多晶体产生偏振相同且均垂直于泵浦光偏振方向的双光子，形成时空频相互纠缠的双光子态。II型是光泵浦源经过同质多晶体产生偏振相同且相互垂直于泵浦光偏振方向的双光子，形成偏振纠缠的双光子态。
隐形传态是指利用EPR纠缠制备，先测量Alice（爱丽丝）中EPR（爱波罗）中的一个光子与承载信息的未知量子态光子的相互关联态，再将测量信息通过经典通道传递至Bob（博比），最后在Bob中利用量子门将承载信息的未知量子态进行恢复。这里的Alice是发送的代名词，而Bob是接收的代名词。隐形传态突出了量子通信的本质，利用非局域非实在性传递量子态，这与传统通信中信号载体的实体传送有很大的不同，传态是量子通信的本质特征，传送是传统通信的本质特征。
隐形传态的原理如图1所示，当中的内容要点有2个：一是量子比特；二是量子门。量子比特在数学表达式中是0态和1态的相加表示。常用的BELL（贝尔）基是基于正交完备的4个矢量态，用于双子系统的纠缠可能态描述。量子门是操作量子态的量子逻辑电路，常用的量子门有H门（霍达玛门）和CNOT门（受控非门），H门能操作量子态具有正交态，CNOT能操作量子呈原态或反态，H门和CNOT门进行组合能产生基于BELL基的量子纠缠态。BELL态的制备量子门构成如图2所示。
3.4量子通信研究发展及应用
量子通信的实施起源于1979年业界提出的经典通信复杂度这一概念。通信复杂度是指通信信道双方分别拥有一部分输入，共同完成某个布尔函数运算，双方都能获知对方的正确函数值，基于这种情况所需的最小通信量。首个关于量子通信复杂度的方案是由姚期智提出的，方案中设想了一个量子通信复杂度的模型，通信信道的双方都各自拥有一组函数输入和一组初始态量子比特，一方发起运算，通过量子幺正变化，传送至另一方，另一方测量量子态获得函数的输出结果[6]。姚期智的量子通信复杂度方案与经典通信复杂度方案在结果上是一样的，并没有减少通信复杂度，也就是N个量子未能实现大于N个经典信息的传递。
纠缠模型的出现首次证明了N个量子可以传递大于N个经典信息的传递。EPR纠缠态作为量子信道，传送经典信息的同时也完成了量子态的传送。与经典信息传送不同的是，通信信道双方要共享一组处于最大纠缠态的量子比特，通过量子纠缠态的相关性，实现隐态传送。随着量子通信研究的深入，诞生了量子纠缠制备装置、量子信道及测量装置。1997年，潘建伟等人实现了量子通信的长距传输。在此项成果中，解决了量子纠缠态纯化的问题。量子纠缠态容易受到噪声影响，各空间点都有噪声分布，其品质会随着传送距离的增加而大幅下降，直接影响通信质量。通过对影响量子纠缠态的纯化因子的控制，从而从各种量子纠缠态中提取最大纠缠态，以实现量子通信长距的可靠隐形传态。
最近，世界上第一台量子路由器由姚期智所带领的团队研制成功。此量子路由器采用了基于离子阱的实现方案，实现了量子信号控制量子信号所经过路径的功能。此量子路由器的创新点在于，将一个具有水平和垂直偏振叠加态的光子通过参量变换转化为一对低能量的纠缠光子，这对纠缠光子同样具有偏振叠加态，量子路由器就可以通过一个光子的偏振态作为控制信号去判断另一承载数据光子的路由。根据此项技术的突破，国家973计划的量子通信项目将取得重大进展，基于离子阱的量子网络雏形将于2年后完成。
4结束语
量子通信是未来网的主流通信技术，量子纠缠和量子退相干的应用，对于量子通信起着至关重要的作用。量子微观性在宏观中的放大，是未来通信发展的一种新思路。量子纠缠的“灵魂漂移”，是一种量子式的非局域的客观存在，体现着跨空间的关联。测量在量子应用中，怎样遵循量子不确定性，对于量子应用来讲是具有巨大科学意义的。退相干是量子通信能力的标尺，延长退相干的时间尺度，对于量子通信设备的开发具有广阔的市场前景。文中未罗列具体的数学公式，意在对量子通信实现的思路及关键性问题进行阐述，为大家打开一扇对量子通信进行了解和思考的窗口。
参考文献：
[1]明艳，李强，余翔，等.国家级实验示范中心光传输平台建设及教学体系改革[J].数字通信，2012（6）：9294.
[2]苏晓琴，郭光灿.量子通讯与量子计算[J].量子电子学报，2004（6）：7882.
[3]冯舸，王华军，谢羽佳.基于存储过程的累积实现[J].数字通信，2012（5）：5961.
[4]张困锋.量子纠缠的若干问题研究[D].太原：山西大学，2004.
[5]冯舸，王华军，谢羽佳.基于存储过程的累积实现[J].数字通信，2012（5）：5961.
[6]林功伟.量子网络的物理实现[D].合肥：中国科学技术大学，2011.
（责任编辑迟蕾）