量子隐形传态是基于量子叠加、量子纠缠理论,通过隐形传输而实现的信息传递方式。它利用量子纠缠技术,借助卫星网络、光纤网络等经典信道,传输量子态携带的量子信息。这种全新的通信方式传输的不再是经典信息,而是量子态携带的量子信息。其携载的信息量很大,因而让一般的光纤网络和普通卫星网络只能望尘莫及,即使3G、4G甚至5G、6G网络也无法媲美。
为了进行远距离的量子隐形传态,往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是,由于存在各种不可避免的环境噪声,量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此,如何提纯高品质的量子纠缠态是量子通信研究中的重要课题。20多年来,潘建伟等中国科学家在自由空间量子纠缠分发和量子隐形传态实验方面,不断取得国际领先的突破性成果,已从实现对单光量子的精确操纵到实现4光量子(2003年)、5光量子(2004年)、6光量子(2007年)、8光量子纠缠(2012年),为基于卫星的广域量子通信和量子力学基础原理检验奠定了坚实基础。
另外,量子通信可实现最快的通信。研究发现,即使将两个纠缠态亚原子粒子分隔到宇宙距离,它们之间的通信也几乎是即刻的。与传统光速通信相比,量子通信的线路时延为零,量子信息传递的过程不会为任何障碍所阻隔,所以完全环保,不存在任何电磁辐射污染。科学家已经在地球上成功做了以下实验,将两个纠缠光量子分开数千米,在数纳秒的间隔内测量它们的自旋。结果发现,如果测量发现它们其中一个自旋是+1,知晓另一个是-1的速度至少比以光速进行通信快1万倍。
量子通信也是超时空穿越的远距离通信。量子态隐形传输就是指利用"量子纠缠"技术,借助卫星因为它属于隐形传输技术,与人类历史上此前已有的通信技术有着本质的差异。科学实验证实,创造两个互相纠缠的光量子以后,哪怕将它们分开很远,也可以通过测量其中一个的状态来得知关于另一个的信息。所以,可以利用量子通信的特性实现与遥远恒星系统的通信。
远距量子通信不能没有卫星

虽然可用光纤建造城域量子通信网络,但由于光量子易被光纤吸收,存在固有的光量子损耗,与环境的耦合也会使量子纠缠品质下降,最终导致信号在光纤传送的过程中越来越弱,因此仅仅利用光纤难以实现远距离的量子通信。量子态隐形传输就是指利用"量子纠缠"技术,借助卫星另外,在近地面自由空间传输信号会受地面障碍物、地表曲率、气象条件的影响,光量子传输难以在地面自由空间中向远距离拓展。
解决这个问题有两种可行的途径:一种是利用量子中继技术,即把相距较远的通信线路分为数段,每一段的损耗因此较小,然后在量子中继的帮助下,把光子携带的信息一段段如同接力赛一样向前传递。另一种是进行自由空间单个光量子传输,这是由于大气对某些波长的光吸收有限,到了外层空间则几乎没有光损耗,因此可以突破大气层通过卫星的中转,实现数千千米甚至是全球化的量子通信。
如果量子信号通过光纤来传输,它最多传输一两百千米就会失去信号,而通过自由空间(包括大气层)可以传递几千千米,因此需要用卫星作为中继站进行协助。所以,使用量子通信卫星是远距离光量子传输的必由之路。它能克服地表曲率、障碍物的阻碍;光量子在光纤中的损耗远高于自由空间的损耗,其中大气层对光量子的吸收和散射远小于光纤,并能保持光量子极化纠缠品质。另外,受到地面条件的限制,很多地方无法铺设量子通信的专用光纤。因此,若想建设覆盖全球的量子通信网络,必须依赖多颗量子通信卫星。
发展量子保密通信技术的终极目标,是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络。可通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点;通过量子中继技术实现邻近两个城市之间的连接;通过量子通信卫星与地面站之间的自由空间光量子传输和卫星平台的中转,实现两个遥远区域之间的连接。这些是目前条件下实现全球广域量子通信最理想的途径。
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