试析量子纠缠与超光速量子通信

马忠智

摘 要：随着我国通信技术的发展，原有的经典通信技术逐渐被现有量子通信技术所取代，而量子通信是一门将经典通信与量子力学充分结合在一起所形成的通信技术，在量子力学中，量子纠缠作为其中的一种现象，与量子通信技术有着密不可分的关系。建立在量子纠缠上所发展出来的通信技术是对传统通信技术的一种颠覆，更是未来通信技术的发展方向，这种技术在保密与抗干扰方面有着无可比拟的优势，该文主要通过对量子纠缠的分析，探讨超光速量子通信的实现。

关键词：量子纠缠 超光速量子通信 量子隐形传态

中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（a）-0093-02

在经典通信中是以比特作为信息单元，而在量子通信中是以量子比特作为信息单元，是通过量子比特信息的有效传递来实现量子通信，它主要包括量子信道传送经典比特的量子密集编码，用经典辅助办法传送量子态的量子隐形传态以及信息保密传送所需的绝对安全量子密码等[1]，其中量子隐形传态更是量子通信的典型方式之一，该文主要是通过对量子纠缠的分析探讨超光速量子通信。

1 量子纠缠分析

1.1 量子纠缠的概念

量子纠缠又叫量子缠结，是一种量子力学中的现象，俗称量子态，主要是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，即使粒子在空间上有可能分开，但这种现象依然存在，当tt0时，这些量子态之间的相互作用现象则主要是由Hiber空间中相应的矢量进行描述，其空间构成的各个量子态系统则同样由其Hiber空间中相应的矢量进行描述，这样的空间量子态被称为Hiber空间的直积态，反之就称之为纠缠态，也就是说，如果存在量子纠缠态，最少需要两个或两个以上的量子态进行叠加作用才能得到体现[2]。

1.2 量子纠缠态

在量子力学中普遍存在量子纠缠态，假设①和②分别为两个自旋的1/2粒子，由这两个粒子组成量子纠缠态，这时的量子系统就处于自旋单态，其总自旋为0，也就是说量子系统是处于EPR对状态，其各自的自旋方向则互相以反平行的方向出现，从而得出：

式中的和为①②粒子的自旋方向为向上，其自旋值为+1/2，而和则为①②粒子的自旋方向为向下，其自旋值为-1/2。通过上式可以看出，若是单独对①②粒子的自旋进行测量，其自旋方向无非就是向上或向下，各自的几率各占1/2，但是若只是针对①粒子进行局域测量，当其自旋方向向上或向下时，其另一个粒子②无论是否进行过测量，其自旋方向必然是向下或向上的（与另一个粒子的自旋方向相反），出现这种情况的主要原因就是当对粒子①进行测量，得出其自旋率为+1/2时，量子系统的状态就已经从的状态坍缩到了和的状态上，因此就可以确定出粒子②处于状态上，其自旋值为-1/2，由此也可以看出，粒子自旋态的构造形成与其出现坍缩之间是呈现非定域性的，所以，处于量子纠缠态的两个粒子，若是对其中一个粒子进行测量，确定出其状态，则对另一个粒子所处的状态也可以间接确定出来，这就是量子纠缠态之间的非局域性关联性[3]。

2 超光速量子通信的探讨

2.1 量子通信方式

2.1.1 量子隐形传态的原理

量子隐形传态的通信方式是将所要传递的原始信息分成经典与量子两个部分，其中经典信息部分是由经典信道的方式进行传输，也就是通常所见的电话，电传等，而量子信息部分则是由量子信道进行传输，从而将某个原始信息，也就是其粒子的原始态从一方传输到另一方，即将这个原始信息的量子态制备到另一个粒子上，在整个信息传输过程中，其传递的主要就是呈现原始状态的量子态，而不是原物本身，因此将这种传递状态称之为量子隐形传态。

2.1.2 量子隐形传态的实现过程

如图1所示，为量子隐形传态的实现过程图，在图中，A指的是量子传态的发送者，而B则指的是量子的接收者，指的是待传量子态，根据量子隐形传态的传输规律，其信息的传输过程如下所示：

（1）将需要传输的信息制备到自旋为1/2的粒子①的量子态上，然后将粒子①放置在A处，而此时A并不知道粒子的真实状态；

（2）待量子纠缠源产生EPR对时，使粒子②③也处于EPR状态当中，待粒子②③分别传送到A和B时，A和B之间也就建成了量子传递信道；

（3）在量子传态的发送者A方中，将其粒子①②分别进行BELL基测量，分别得出不同的测量结果，同样的，在接收者B方中将粒子③进行自旋测量，也会得出不同的测量结果，并且这个结果与公式中的某一项成对应关系：

（4）将A方中的测量结果以经典信道传输到B方，而B方则按此测量结果找到相对应的么正变化ui（i=1，2，3，4），相应的将测量结果表示为ui|Φ>3，最后再将测量结果进行逆变换ui-1，就得到|Φ>3-，这就是需要传送的量子态，只不过原来属于粒子①，现在则是已经制备到粒子③当中，也就是说已经完成了量子态|Φ>的传送[3]。

2.1.3 量子隐形传态的特点

量子隐形传态的特点主要包含以下几点：在进行量子信息传递时不需要提前知道接收方在何处；在进行量子信息传递的过程中不会受到任何的阻碍，其隐形传态可以说是一种超越空间距离的传送；量子信息的传输速度直接由量子态的坍缩速度来决定，而其坍缩速度更是直接超越了光速，因此量子隐形传态的信息传输速度直接超越了光速；与经典信道的传输速度相比，原物信息的传输速度同样不会超越光速。

3 超光速量子通信的实现

通过上文的探讨分析，可以看出信息的传送离不开两个信道的共同作用，因此其信息的传输速度也就不会超越光速，而对于人类目前的研究来说，用量子信道来取代经典信道，即将经典信息通过量子信道进行传送，不仅可以突破经典信道信息传输过程中的种种限制，同时还能实现超光速量子隐形传态，也就是说实现了超光速的量子通信。

4 結语

综上所述，该文通过对量子纠缠的分析，探讨超光速量子通信。首先对量子纠缠的概念以及量子纠缠态的局域性关联性进行了分析；其次对量子通信的典型方式量子隐形传态进行了分析，主要分析其原理，实现过程以及特点；最后探讨超光速量子通信的实现问题。希望该文的分析探讨对我国的超光速量子通信技术的研究与实践能起到一定的帮助作用。

参考文献

[1] 李同山，王善斌.量子纠缠与超光速量子通信[J].山东理工大学学报：自然科学版，2006（2）：89-92.

[2] 高山.关于量子超光速通信的一个理论设想[J].中国传媒大学学报：自然科学版，2004（S1）：78-79.

[3] 吴国林.量子纠缠及其哲学拓展[J].哲学分析，2011（2）：120-133，199.