量子计算系列:
唠唠闲话
量子系列第四篇,介绍量子信息传输与密钥分发技术,内容如下:
量子传输与密集编码
量子传输,Quantum Teleportation,是借助经典信道,传输未知量子比特的一种方式
密集编码,Dense coding,则是利用量子信道,传输经典比特
两种信息传输方式的形式对称,且单次传递都需要消耗一对纠缠粒子
量子传输
假设 Alice 有一个未知的量子态:
∣ ϕ ⟩ = a ∣ 0 ⟩ + b ∣ 1 ⟩ \vert\phi\rangle=a\vert 0\rangle+b\vert 1\rangle
∣ ϕ ⟩ = a ∣0 ⟩ + b ∣1 ⟩
Alice 希望借助纠缠粒子和经典信道,将 ∣ ϕ ⟩ \vert\phi\rangle ∣ ϕ ⟩ 传递给 Bob。
从纠缠粒子分发,到量子态 ∣ ϕ ⟩ \vert\phi\rangle ∣ ϕ ⟩ 传输的量子电路图
初始化量子态 ∣ ψ 0 ⟩ = ∣ 00 ⟩ \vert\psi_0\rangle=\vert 00\rangle ∣ ψ 0 ⟩ = ∣00 ⟩ ,通过 H H H 门和受控非门转化为 Bell 态,并分发给 Alice 和 Bob。
∣ ψ 0 ⟩ = ∣ 0 , 0 ⟩ ⟶ U C N O T ( U H ⊗ I ) 1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) = ∣ Φ + ⟩ \vert\psi_0\rangle=\vert 0,0\rangle\overset{U_{CNOT}(U_H\otimes I)}{\longrightarrow}
\frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle +\vert 11\rangle)=\vert\Phi^+\rangle
∣ ψ 0 ⟩ = ∣0 , 0 ⟩ ⟶ U CNOT ( U H ⊗ I ) 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩) = ∣ Φ + ⟩
现 Alice 需要传递未知量子态 ∣ ϕ ⟩ = a ∣ 0 ⟩ + b ∣ 1 ⟩ \vert\phi\rangle=a\vert 0\rangle+b\vert 1\rangle ∣ ϕ ⟩ = a ∣0 ⟩ + b ∣1 ⟩ 给 Bob;此时 ∣ ϕ ⟩ \vert\phi\rangle ∣ ϕ ⟩ 和纠缠粒子构成 3-量子系统,Alice 控制前两个,Bob 控制最后一个,系统状态为
∣ ψ 1 ⟩ = ∣ ϕ ⟩ ∣ Φ + ⟩ \vert\psi_1\rangle=\vert\phi\rangle\vert\Phi^+\rangle
∣ ψ 1 ⟩ = ∣ ϕ ⟩ ∣ Φ + ⟩
Alice 通过量子门,将系统量子态变为 ∣ ψ 2 ⟩ \vert\psi_2\rangle ∣ ψ 2 ⟩
∣ ψ 2 ⟩ = ( U H ⊗ I ⊗ I ) ( U C N O T ⊗ I ) ∣ ψ 1 ⟩ = 1 2 ( U H ⊗ I ⊗ I ) ( U C N O T ⊗ I ) ( a ∣ 000 ⟩ + b ∣ 100 ⟩ + a ∣ 011 ⟩ + b ∣ 111 ⟩ ) = 1 2 ( U H ⊗ I ⊗ I ) ( a ∣ 000 ⟩ + b ∣ 110 ⟩ + a ∣ 011 ⟩ + b ∣ 101 ⟩ ) = 1 2 ( ∣ 00 ⟩ ⊗ ( a ∣ 0 ⟩ + b ∣ 1 ⟩ ) + ∣ 01 ⟩ ⊗ ( a ∣ 1 ⟩ + b ∣ 0 ⟩ ) + ∣ 10 ⟩ ⊗ ( a ∣ 0 ⟩ − b ∣ 1 ⟩ ) + ∣ 11 ⟩ ⊗ ( a ∣ 1 ⟩ − b ∣ 0 ⟩ ) ) \begin{align*}
\vert\psi_2\rangle &= (U_H\otimes I\otimes I)(U_{CNOT}\otimes I)\vert\psi_1\rangle\\
&= \frac{1}{\sqrt 2}(U_H\otimes I\otimes I)(U_{CNOT}\otimes I)(a\vert 000\rangle+b\vert 100\rangle+a\vert 011\rangle+b\vert 111\rangle)\\
&= \frac{1}{\sqrt 2}(U_H\otimes I\otimes I)(a\vert 000\rangle+b\vert 110\rangle+a\vert 011\rangle+b\vert 101\rangle)\\
&=\frac{1}{2}(\vert 00\rangle\otimes (a\vert 0\rangle+b\vert 1\rangle)+\vert 01\rangle\otimes (a\vert 1\rangle+b\vert 0\rangle)\\
&\quad +\vert 10\rangle\otimes (a\vert 0\rangle-b\vert 1\rangle)+\vert 11\rangle\otimes (a\vert 1\rangle-b\vert 0\rangle))
\end{align*}
∣ ψ 2 ⟩ = ( U H ⊗ I ⊗ I ) ( U CNOT ⊗ I ) ∣ ψ 1 ⟩ = 2 1 ( U H ⊗ I ⊗ I ) ( U CNOT ⊗ I ) ( a ∣000 ⟩ + b ∣100 ⟩ + a ∣011 ⟩ + b ∣111 ⟩) = 2 1 ( U H ⊗ I ⊗ I ) ( a ∣000 ⟩ + b ∣110 ⟩ + a ∣011 ⟩ + b ∣101 ⟩) = 2 1 ( ∣00 ⟩ ⊗ ( a ∣0 ⟩ + b ∣1 ⟩) + ∣01 ⟩ ⊗ ( a ∣1 ⟩ + b ∣0 ⟩) + ∣10 ⟩ ⊗ ( a ∣0 ⟩ − b ∣1 ⟩) + ∣11 ⟩ ⊗ ( a ∣1 ⟩ − b ∣0 ⟩))
Alice 测量前2个粒子,依概率得到 2-bit 数据 x ∈ { 0 , 1 } ⊗ 2 x\in\{0,1\}^{\otimes 2} x ∈ { 0 , 1 } ⊗ 2 。测量同时,Bob 粒子的量子态塌缩为 ∣ ψ 3 ⟩ \vert\psi_3\rangle ∣ ψ 3 ⟩ 。
Alice 通过经典信道 将数据 x x x 传递给 Bob,Bob 根据 x x x 取值使用量子门 U x U_x U x ,将 ∣ ψ 3 ⟩ \vert\psi_3\rangle ∣ ψ 3 ⟩ 转化为量子态 ∣ ϕ ⟩ \vert\phi\rangle ∣ ϕ ⟩
数据 x x x
量子态 ∣ ψ 3 ⟩ \vert\psi_3\rangle ∣ ψ 3 ⟩
量子门 U x U_x U x
00 00 00
a ∣ 0 ⟩ + b ∣ 1 ⟩ a\vert 0\rangle + b\vert 1\rangle a ∣0 ⟩ + b ∣1 ⟩
I = ∣ 0 ⟩ ⟨ 0 ∣ + ∣ 1 ⟩ ⟨ 1 ∣ I=\vert 0\rangle\langle 0\vert+\vert 1\rangle\langle 1\vert I = ∣0 ⟩ ⟨ 0∣ + ∣1 ⟩ ⟨ 1∣
01 01 01
a ∣ 1 ⟩ + b ∣ 0 ⟩ a\vert 1\rangle + b\vert 0\rangle a ∣1 ⟩ + b ∣0 ⟩
X = ∣ 1 ⟩ ⟨ 0 ∣ + ∣ 0 ⟩ ⟨ 1 ∣ X=\vert 1\rangle\langle 0\vert+\vert 0\rangle\langle 1\vert X = ∣1 ⟩ ⟨ 0∣ + ∣0 ⟩ ⟨ 1∣
10 10 10
a ∣ 0 ⟩ − b ∣ 1 ⟩ a\vert 0\rangle - b\vert 1\rangle a ∣0 ⟩ − b ∣1 ⟩
Z = ∣ 0 ⟩ ⟨ 0 ∣ − ∣ 1 ⟩ ⟨ 1 ∣ Z=\vert 0\rangle\langle 0\vert-\vert 1\rangle\langle 1\vert Z = ∣0 ⟩ ⟨ 0∣ − ∣1 ⟩ ⟨ 1∣
11 11 11
a ∣ 1 ⟩ − b ∣ 0 ⟩ a\vert 1\rangle - b\vert 0\rangle a ∣1 ⟩ − b ∣0 ⟩
Y = ∣ 0 ⟩ ⟨ 1 ∣ − ∣ 1 ⟩ ⟨ 0 ∣ Y=\vert 0\rangle\langle 1\vert-\vert 1\rangle\langle 0\vert Y = ∣0 ⟩ ⟨ 1∣ − ∣1 ⟩ ⟨ 0∣
注记:
Bob 得到量子态 ∣ ϕ ⟩ \vert\phi\rangle ∣ ϕ ⟩ 并不违背不可克隆定理,由于 Alice 通过测量破坏了自己的量子态
数学上看,借助量子纠缠,量子态 ∣ ϕ ⟩ \vert\phi\rangle ∣ ϕ ⟩ 从第一个张量因子,移动到第三个张量因子,继而达到传送效果
在 Alice 测量的瞬间,Bob 手上的量子态就塌缩了。但在不知道经典比特数据的情况下,Bob 不能得知粒子信息,因此信息传递没有超光速
因为传输过程以经典数据进行,量子传输也称为量子隐形传输
纠缠粒子 不能用量子传输来分发,因为传输本身就依赖纠缠粒子
通过拼接,可以得到 n-粒子系统的传输,比如 n = 2 情形:
一般地,Bob 根据 Alice 通过传输的 2n 比特数据 x x x 选择量子门,将量子态 ∣ ϕ x ⟩ \vert\phi_x\rangle ∣ ϕ x ⟩ 还原为 ∣ ϕ ⟩ \vert\phi\rangle ∣ ϕ ⟩
∣ ψ 1 ⟩ = 1 2 n ∣ ϕ ⟩ ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) ⊗ n ∣ ψ 2 ⟩ = 1 2 n ∑ x ∈ { 0 , 1 } ⊗ 2 n ∣ x ⟩ ∣ ϕ x ⟩ \vert\psi_1\rangle=\frac{1}{\sqrt{2^n}}\vert\phi\rangle(\vert 00\rangle+\vert 11\rangle)^{\otimes n}\\
\vert\psi_2\rangle=\frac{1}{2^n}\sum_{x\in\{0,1\}^{\otimes 2n}}\vert x\rangle\vert\phi_x\rangle
∣ ψ 1 ⟩ = 2 n 1 ∣ ϕ ⟩ ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩ ) ⊗ n ∣ ψ 2 ⟩ = 2 n 1 x ∈ { 0 , 1 } ⊗ 2 n ∑ ∣ x ⟩ ∣ ϕ x ⟩
密集编码
假设 Alice 有经典数据
x ∈ { 0 , 1 } ⊗ 2 = { 00 , 01 , 10 , 11 } x\in\{0,1\}^{\otimes 2}=\{00,01,10,11\}
x ∈ { 0 , 1 } ⊗ 2 = { 00 , 01 , 10 , 11 }
Alice 希望借助纠缠粒子和量子信道,将 x x x 传递 给 Bob,量子电路图:
设 ∣ Φ + ⟩ = 1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) \vert\Phi^+\rangle=\frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle +\vert 11\rangle) ∣ Φ + ⟩ = 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩) 为纠缠粒子对,将第一个粒子分给 Alice,第二个粒子分给 Bob。
Alice 依 x x x 的取值选择量子门,作用在粒子上,系统状态变为 ∣ ψ 1 ⟩ \vert\psi_1\rangle ∣ ψ 1 ⟩
x x x
∣ Φ + ⟩ \vert\Phi^+\rangle ∣ Φ + ⟩
U x U_x U x
∣ ψ 1 ⟩ = ( U x ⊗ I ) ∣ Φ + ⟩ \vert\psi_1\rangle=(U_x\otimes I)\vert\Phi^+\rangle ∣ ψ 1 ⟩ = ( U x ⊗ I ) ∣ Φ + ⟩
00 00 00
1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle +\vert 11\rangle) 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩)
I = ∣ 0 ⟩ ⟨ 0 ∣ + ∣ 1 ⟩ ⟨ 1 ∣ I=\vert 0\rangle\langle 0\vert+\vert 1\rangle\langle 1\vert I = ∣0 ⟩ ⟨ 0∣ + ∣1 ⟩ ⟨ 1∣
1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle +\vert 11\rangle) 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩)
01 01 01
1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle +\vert 11\rangle) 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩)
X = ∣ 1 ⟩ ⟨ 0 ∣ + ∣ 0 ⟩ ⟨ 1 ∣ X=\vert 1\rangle\langle 0\vert+\vert 0\rangle\langle 1\vert X = ∣1 ⟩ ⟨ 0∣ + ∣0 ⟩ ⟨ 1∣
1 2 ( ∣ 10 ⟩ + ∣ 01 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 10\rangle +\vert 01\rangle) 2 1 ( ∣10 ⟩ + ∣01 ⟩)
10 10 10
1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle +\vert 11\rangle) 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩)
Z = ∣ 0 ⟩ ⟨ 0 ∣ − ∣ 1 ⟩ ⟨ 1 ∣ Z=\vert 0\rangle\langle 0\vert-\vert 1\rangle\langle 1\vert Z = ∣0 ⟩ ⟨ 0∣ − ∣1 ⟩ ⟨ 1∣
1 2 ( ∣ 00 ⟩ − ∣ 11 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle -\vert 11\rangle) 2 1 ( ∣00 ⟩ − ∣11 ⟩)
11 11 11
1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle +\vert 11\rangle) 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩)
Y = ∣ 0 ⟩ ⟨ 1 ∣ − ∣ 1 ⟩ ⟨ 0 ∣ Y=\vert 0\rangle\langle 1\vert-\vert 1\rangle\langle 0\vert Y = ∣0 ⟩ ⟨ 1∣ − ∣1 ⟩ ⟨ 0∣
1 2 ( ∣ 01 ⟩ − ∣ 10 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 01\rangle -\vert 10\rangle) 2 1 ( ∣01 ⟩ − ∣10 ⟩)
Alice 将 ∣ ψ 1 ⟩ \vert\psi_1\rangle ∣ ψ 1 ⟩ 通过量子信道 传递给 Bob。
Bob 使用 U C N O T U_{CNOT} U CNOT 和 U H ⊗ I U_H\otimes I U H ⊗ I 门作用这对粒子上:
作用前 ∣ ψ 1 ⟩ \vert\psi_1\rangle ∣ ψ 1 ⟩
∣ ψ 2 ⟩ = U C N O T ∣ ψ 1 ⟩ \vert\psi_2\rangle=U_{CNOT}\vert\psi_1\rangle ∣ ψ 2 ⟩ = U CNOT ∣ ψ 1 ⟩
∣ ψ 3 ⟩ = ( U H ⊗ I ) ∣ ψ 2 ⟩ \vert\psi_3\rangle=(U_H\otimes I)\vert\psi_2\rangle ∣ ψ 3 ⟩ = ( U H ⊗ I ) ∣ ψ 2 ⟩
1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle +\vert 11\rangle) 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩)
1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 10 ⟩ ) = 1 2 ( ∣ 0 ⟩ + ∣ 1 ⟩ ) ∣ 0 ⟩ \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle +\vert 10\rangle)=\frac{1}{\sqrt 2}(\vert 0\rangle+\vert 1\rangle)\vert 0\rangle 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣10 ⟩) = 2 1 ( ∣0 ⟩ + ∣1 ⟩) ∣0 ⟩
∣ 00 ⟩ \vert 00\rangle ∣00 ⟩
1 2 ( ∣ 10 ⟩ + ∣ 01 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 10\rangle +\vert 01\rangle) 2 1 ( ∣10 ⟩ + ∣01 ⟩)
1 2 ( ∣ 11 ⟩ + ∣ 01 ⟩ ) = 1 2 ( ∣ 0 ⟩ + ∣ 1 ⟩ ) ∣ 1 ⟩ \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 11\rangle +\vert 01\rangle)=\frac{1}{\sqrt 2}(\vert 0\rangle+\vert 1\rangle)\vert 1\rangle 2 1 ( ∣11 ⟩ + ∣01 ⟩) = 2 1 ( ∣0 ⟩ + ∣1 ⟩) ∣1 ⟩
∣ 01 ⟩ \vert 01\rangle ∣01 ⟩
1 2 ( ∣ 00 ⟩ − ∣ 11 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle -\vert 11\rangle) 2 1 ( ∣00 ⟩ − ∣11 ⟩)
1 2 ( ∣ 00 ⟩ − ∣ 10 ⟩ ) = 1 2 ( ∣ 0 ⟩ − ∣ 1 ⟩ ) ∣ 0 ⟩ \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle -\vert 10\rangle)=\frac{1}{\sqrt 2}(\vert 0\rangle-\vert 1\rangle)\vert 0\rangle 2 1 ( ∣00 ⟩ − ∣10 ⟩) = 2 1 ( ∣0 ⟩ − ∣1 ⟩) ∣0 ⟩
∣ 11 ⟩ \vert 11\rangle ∣11 ⟩
1 2 ( ∣ 01 ⟩ − ∣ 10 ⟩ ) \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 01\rangle -\vert 10\rangle) 2 1 ( ∣01 ⟩ − ∣10 ⟩)
1 2 ( ∣ 01 ⟩ − ∣ 11 ⟩ ) = 1 2 ( ∣ 0 ⟩ − ∣ 1 ⟩ ) ∣ 1 ⟩ \frac{1}{\sqrt 2}(\vert 01\rangle -\vert 11\rangle)=\frac{1}{\sqrt 2}(\vert 0\rangle-\vert 1\rangle)\vert 1\rangle 2 1 ( ∣01 ⟩ − ∣11 ⟩) = 2 1 ( ∣0 ⟩ − ∣1 ⟩) ∣1 ⟩
∣ 10 ⟩ \vert 10\rangle ∣10 ⟩
最后测量得到 x x x ,量子态总地变化过程:
∣ Φ + ⟩ = 1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) ⇒ x ∣ ψ 1 ⟩ = ( U x ⊗ I ) ∣ Φ + ⟩ ⇒ ∣ ψ 2 ⟩ = U C N O T ∣ ψ 1 ⟩ ⇒ ∣ ψ 3 ⟩ = ( U H ⊗ I ) ∣ ψ 2 ⟩ \begin{align*}
&\vert\Phi^+\rangle=\frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle +\vert 11\rangle)\\
\overset{x}{\Rightarrow} &\vert\psi_1\rangle=(U_x\otimes I)\vert\Phi^+\rangle\\
\Rightarrow &\vert\psi_2\rangle=U_{CNOT}\vert\psi_1\rangle\\
\Rightarrow &\vert\psi_3\rangle=(U_H\otimes I)\vert\psi_2\rangle
\end{align*}
⇒ x ⇒ ⇒ ∣ Φ + ⟩ = 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩) ∣ ψ 1 ⟩ = ( U x ⊗ I ) ∣ Φ + ⟩ ∣ ψ 2 ⟩ = U CNOT ∣ ψ 1 ⟩ ∣ ψ 3 ⟩ = ( U H ⊗ I ) ∣ ψ 2 ⟩
注记:
信息兑换
假设事先给 Alice 和 Bob 分发了足够的纠缠对,考虑二人之间的信息传递量:
Alice 如果需要发送 2-bit 数据给 Bob,借助密度编码,只需要发送 1 qubit 数据给 Bob。
Alice 如果需要发送 1-qubit 数据给 Bob,借助量子传输,只需要发送 2-bit 数据给 Bob。
这体现了信息的某种“兑换”关系,由此推导:用量子隐形传输发送 n 个量子比特,至少需要发送 2n 个经典比特数据。
反设存在某个电路图,Alice 传递 n 个未知量子比特给 Bob,只需发送 m < 2 n m<2n m < 2 n 个经典比特。现假设 Alice 需要发送 2n 个经典比特给 Bob,利用密集编码, Alice 只需发送 n 个比特给 Bob;而借助该电路图 Alice 只需发送 m < 2 n m<2n m < 2 n 个比特数据给 Bob;用 m 个比特传递 2n 个比特的信息,导出矛盾。
纠缠态与信息传输
关于纠缠态的补充。
回顾定义
纠缠态:2-量子系统中,无法写成 ∣ ψ ⟩ ⊗ ∣ φ ⟩ \vert\psi\rangle\otimes\vert\varphi\rangle ∣ ψ ⟩ ⊗ ∣ φ ⟩ 的纯态
叠加态:纯态正交分解的一种表述
混合态:测量性质只能用密度矩阵 ρ \rho ρ 表示,无法写成向量 ∣ ψ ⟩ \vert\psi\rangle ∣ ψ ⟩
考虑 2-粒子系统的 Bell 态,写成纯态向量和密度矩阵形式:
∣ Φ + ⟩ = 1 2 ( ∣ 00 ⟩ + ∣ 11 ⟩ ) ρ = ∣ Φ + ⟩ ⟨ Φ + ∣ = ( 1 0 0 1 ) ( 1 0 0 1 ) = ( 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 ) \begin{align*}
\vert\Phi^+\rangle&=\frac{1}{\sqrt 2}(\vert 00\rangle+\vert 11\rangle)\\
\rho&=\vert\Phi^+\rangle\langle\Phi^+\vert\\
&=\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 1\end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
1 & 0 & 0 & 1\\
0 & 0 & 0 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0\\
1 & 0 & 0 & 1
\end{pmatrix}
\end{align*}
∣ Φ + ⟩ ρ = 2 1 ( ∣00 ⟩ + ∣11 ⟩) = ∣ Φ + ⟩ ⟨ Φ + ∣ = ⎝ ⎛ 1 0 0 1 ⎠ ⎞ ( 1 0 0 1 ) = ⎝ ⎛ 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 ⎠ ⎞
单个粒子的测量性质由偏迹给出,局部上看,粒子处在混合态
ρ 1 = t r 2 ( ρ ) = ( 1 1 1 1 ) \rho_1=tr_2(\rho)
=\begin{pmatrix}
1 & 1\\
1 & 1
\end{pmatrix}
ρ 1 = t r 2 ( ρ ) = ( 1 1 1 1 )
以下两种测量方式等价
用可观测量 A A A 测量第一个粒子 ρ 1 \rho_1 ρ 1
用可观测量 A ⊗ I A\otimes I A ⊗ I 测量整个系统 ∣ Φ + ⟩ \vert\Phi^+\rangle ∣ Φ + ⟩
多量子系统中,对某个粒子使用量子门操作,不改变其他粒子的测量性质:
L e t ρ ∈ S ( H 1 ⊗ H 2 ) T h e n ρ ⟶ I ⊗ U ρ ′ = ( I ⊗ U ) ρ ( I ⊗ U † ) ⟨ A ⟩ = t r ( ( A ⊗ I ) ρ ) = t r ( ( A ⊗ I ) ( I ⊗ U ) ρ ( I ⊗ U † ) ) = t r ( ( A ⊗ I ) ρ ′ ) = ⟨ A ⟩ ′ \begin{align*}
Let\ &\rho\in\mathcal{S}(\mathcal{H}_1\otimes\mathcal{H}_2)\\
Then\ \rho&\overset{I\otimes U}{\longrightarrow}\rho'=(I\otimes U)\rho(I\otimes U^\dagger)\\
\langle A\rangle &= tr((A\otimes I)\rho)\\
&= tr((A\otimes I)(I\otimes U)\rho(I\otimes U^\dagger))\\
&= tr((A\otimes I)\rho')\\
&= \langle A\rangle'
\end{align*}
L e t T h e n ρ ⟨ A ⟩ ρ ∈ S ( H 1 ⊗ H 2 ) ⟶ I ⊗ U ρ ′ = ( I ⊗ U ) ρ ( I ⊗ U † ) = t r (( A ⊗ I ) ρ ) = t r (( A ⊗ I ) ( I ⊗ U ) ρ ( I ⊗ U † )) = t r (( A ⊗ I ) ρ ′ ) = ⟨ A ⟩ ′
综上,处在纠缠态的两个粒子:
对一个粒子做酉变换,不能改变另一个粒子的测量性质(否则量子态同时改变,信息传递超光速)。
对一个粒子测量,另一个粒子的测量性质改变,但必须收到第一个粒子的测量数据,才能知道具体发生了什么改变。
量子密钥分发
简介
量子密钥分发 ,Quantum Key Distribution,简称 QKD,是一种信息物理层加密 的保密通信方式,是通信过程中对携带信息的载体 进行加密,这区别于传统的保密通信,后者是对信息本身 进行加密传输。
以光纤中量子密钥分发和经典光纤加密通信为例。两种通信方式都是将经典 0 和 1 二进制比特信息以加密的方式传输出去,且携带 0 和 1 二进制比特信息的载体都是光脉冲,所不同的是,量子密钥分发采用的是单光子脉冲——即每脉冲包含的光子个数在单个光子水平,而经典光纤保密通信采用的是强光脉冲。此外,量子密钥分发的加密是对单光子脉冲本身 进行加密,而经典光纤保密通信的加密是对传输的 0 和 1 二进制比特信息 进行加密。因此,光纤中量子密钥分发可视作在通信光纤两端,利用单光子量子脉冲的发送和接收设备来替代光模块,以实现信息物理层加密的保密通信。
在量子密钥分发过程中,任何针对密钥的窃听,都需要对单光子脉冲构成的量子态进行测量,但根据量子力学不可克隆原理,任何测量都会改变量子态本身,造成高误码率,从而使窃听者被发现。
一次一密
量子密钥分发用于传递一次一密(One-Time-Pad)所需的密码本。而一次一密是不可破解的加密算法,其加密条件为:
密钥和要加密的消息同样长
密钥由真正随机符号组成
密钥只用一次,永不对其他消息复用
不可破解原因
如果密钥和消息一样长 ,那么每个可能的密文字母都有相同的概率解密成相同的明文字母,这样就无法使用频率分析 来工作。
举个例子,用轮盘加密,取随机密钥 10251,加密单词 apple
,得到密文 bprqf
:
a → + 1 b , p → + 0 p , p → + 2 r , l → + 5 q , e → + 1 f a \overset{+1}{\rightarrow}b,\
p \overset{+0}{\rightarrow}p,\
p \overset{+2}{\rightarrow}r,\
l \overset{+5}{\rightarrow}q,\
e \overset{+1}{\rightarrow}f
a → + 1 b , p → + 0 p , p → + 2 r , l → + 5 q , e → + 1 f
密钥未知时,任意五个字母的单词都可能由密文 bprqf
解出。
交换密码本
假设 Alice 要传送信息给 Bob,使用一次一密的最大困难在于:Alice 需事先和 Bob 交换密码本。如果在不安全信道上传输密钥原文,密钥被窃取,后续加密也就没有意义了。
之前介绍过基于数论难题,生成密码本的两种方法:
Diffie–Hellman 密钥交换(离散对数算法)
椭圆曲线算法
而量子密钥分发是基于量子力学原理,对信息本身加密,生成密码本。
BB84协议
量子密钥分发的第一个协议——BB84协议是美国物理学家 Charles H. Bennett 和加拿大密码学家 Gilles Brassard 在1984年提出的,BB84 得名于两人姓的首字母和提出年份。BB84 协议属于两点式通信架构,即一个发送端(Alice),一个测量端(Bob),如下图所示:
加密系统
Alice 和 Bob 约定两组加密系统,比如
该加密系统有以下性质:
加密系统 (1) 将比特 0 转化为量子态 ∣ ↕ ⟩ \vert\updownarrow\rangle ∣ ↕ ⟩ , 将比特 1 转化为量子态 ∣ ↔ ⟩ \vert\leftrightarrow\rangle ∣ ↔ ⟩
使用系统 (1) 测量 ∣ ↕ ⟩ ( ∣ ↔ ⟩ ) \vert\updownarrow\rangle(\vert\leftrightarrow\rangle) ∣ ↕ ⟩ ( ∣ ↔ ⟩) ,有 100 % 100\% 100% 概率得到 0 (1)
使用系统 (2) 测量 ∣ ↕ ⟩ \vert\updownarrow\rangle ∣ ↕ ⟩ 和 ∣ ↔ ⟩ \vert\leftrightarrow\rangle ∣ ↔ ⟩ ,都是 50 % 50\% 50% 概率得到 0, 50 % 50\% 50% 概率得到 1
两系统反过来的讨论结果类似
注:使用系统 (2) 测量 ∣ ↕ ⟩ \vert\updownarrow\rangle ∣ ↕ ⟩ ,写成叠加态形式
∣ ↕ ⟩ = 1 2 ( ∣ ↖ ⟩ + ∣ ↗ ⟩ ) \vert\updownarrow\rangle=\frac{1}{\sqrt 2}(\vert\nwarrow\rangle+\vert\nearrow\rangle)
∣ ↕ ⟩ = 2 1 ( ∣ ↖ ⟩ + ∣ ↗ ⟩)
故测得 ∣ ↖ ⟩ \vert\nwarrow\rangle ∣ ↖ ⟩ 和 ∣ ↗ ⟩ \vert\nearrow\rangle ∣ ↗ ⟩ 的概率均为 50 % 50\% 50%
分发过程
假设 Alice 和 Bob 需要一段长为 N N N bit 的随机密钥。
Alice 生成 4 N 4N 4 N bit 随机数据 ε ⃗ \vec\varepsilon ε ε ⃗ = ( ε 1 , ⋯ , ε 4 N ) , ε i ∈ { 0 , 1 } \vec\varepsilon=(\varepsilon_1,\cdots,\varepsilon_{4N}),\ \varepsilon_i\in\{0,1\}
ε = ( ε 1 , ⋯ , ε 4 N ) , ε i ∈ { 0 , 1 }
然后随机选择 4 N 4N 4 N 个加密方式 (1) 和 (2)a ⃗ = ( a 1 , ⋯ , a 4 N ) , a i ∈ { ( 1 ) , ( 2 ) } \vec a=(a_1,\cdots,a_{4N}),\ a_i\in\{(1),(2)\}
a = ( a 1 , ⋯ , a 4 N ) , a i ∈ {( 1 ) , ( 2 )}
通过加密系统 a ⃗ \vec a a ,将经典数据转 ε ⃗ \vec\varepsilon ε 转为量子比特数据 ∣ ψ ⟩ ⃗ \vec{\vert\psi\rangle} ∣ ψ ⟩ ,并发送给 Bob∣ ψ ⟩ ⃗ = ( ∣ ψ 1 ⟩ , ⋯ , ∣ ψ 4 N ⟩ ) \vec{\vert\psi\rangle}=(\vert\psi_1\rangle,\cdots,\vert\psi_{4N}\rangle)
∣ ψ ⟩ = ( ∣ ψ 1 ⟩ , ⋯ , ∣ ψ 4 N ⟩)
Bob 收到信息 ∣ ψ ⟩ ⃗ \vec{\vert\psi\rangle} ∣ ψ ⟩ 后,随机选择 4 N 4N 4 N 个测量方式 (1) 和 (2)b ⃗ = ( b 1 , ⋯ , b 4 N ) , b i ∈ { ( 1 ) , ( 2 ) } \vec b=(b_1,\cdots,b_{4N}),\ b_i\in\{(1),(2)\}
b = ( b 1 , ⋯ , b 4 N ) , b i ∈ {( 1 ) , ( 2 )}
通过测量系统 b ⃗ \vec b b ,将量子数据 ∣ ψ ⟩ ⃗ \vec{\vert\psi\rangle} ∣ ψ ⟩ 转为 4 N 4N 4 N 个经典比特数据δ ⃗ = ( δ 1 , ⋯ , δ 4 N ) , δ i ∈ { 0 , 1 } \vec\delta=(\delta_1,\cdots,\delta_{4N}),\ \delta_i\in\{0,1\}
δ = ( δ 1 , ⋯ , δ 4 N ) , δ i ∈ { 0 , 1 }
Alice 和 Bob 在公共信道(可能不安全)交换各自的加密系统 a ⃗ \vec a a 和 b ⃗ \vec b b ,如果过程完全随机,a ⃗ \vec a a 和 b ⃗ \vec b b 约有 2 N 2N 2 N 个位置相同(余下 2 N 2N 2 N 个丢弃),设相同位置为t ⃗ = ( t 1 , ⋯ , t 2 N ) , a t i = b t i \vec t=(t_1,\cdots,t_{2N}),\ a_{t_i}=b_{t_i}
t = ( t 1 , ⋯ , t 2 N ) , a t i = b t i
如果数据没被窃听,位置 t ⃗ i \vec t_i t i 上 Bob 和 Alice 共享了相同的比特数据ε t i = δ t i , ∀ i = 1 , ⋯ , 2 N \varepsilon_{t_i} = \delta_{t_i},\forall\ i=1,\cdots,2N
ε t i = δ t i , ∀ i = 1 , ⋯ , 2 N
Alice 和 Bob 从这 2 N 2N 2 N 个结果中取出 N N N 个,在公开信道上比对。如果信息错误率远低于 25 % 25\% 25% ,进行数据后处理,两人共享一段相同的安全密钥;否则认为此次通信不安全,放弃该次通信产生的密钥,进行下一次通信。
窃听者
假设信息 ∣ ψ ⟩ ⃗ \vec{\vert\psi\rangle} ∣ ψ ⟩ 在传递过程中,被 Eve 拦截窃听。以单个量子比特 ∣ ψ i ⟩ \vert\psi_i\rangle ∣ ψ i ⟩ 传递为例,分析 Alice 和 Bob 比对 N N N 个比特数据时得到的错误率。不妨设 Alice 和 Bob 对 ∣ ψ i ⟩ \vert\psi_i\rangle ∣ ψ i ⟩ 使用相同系统,否则 ∣ ψ i ⟩ \vert\psi_i\rangle ∣ ψ i ⟩ 最终被丢弃,不在比对数据中 。
Eve 拦截 ∣ ψ i ⟩ \vert\psi_i\rangle ∣ ψ i ⟩ 后如下处理(错误率最低):随机选择系统 e i ∈ { ( 1 ) , ( 2 ) } e_i\in\{(1),(2)\} e i ∈ {( 1 ) , ( 2 )} ,用系统 e i e_i e i 测量 ∣ ψ i ⟩ \vert\psi_i\rangle ∣ ψ i ⟩ 得到数据 η i \eta_i η i 后,继续用系统 e i e_i e i 将 η i \eta_i η i 转为量子比特 ∣ ψ i ′ ⟩ \vert\psi_i'\rangle ∣ ψ i ′ ⟩ ,并传递给 Bob。
假设过程完全随机,Eve 有 50 % 50\% 50% 的概率选择了系统 (1),此时∣ ψ i ′ ⟩ = ∣ ψ i ⟩ \vert\psi_i'\rangle=\vert\psi_i\rangle
∣ ψ i ′ ⟩ = ∣ ψ i ⟩
Bob 测量结果正确。
Eve 有 50 % 50\% 50% 的概率选择了系统 (2),此时 ∣ ψ i ⟩ \vert\psi_i\rangle ∣ ψ i ⟩ 的测量结果随机;量子比特 ∣ ψ i ′ ⟩ \vert\psi_i'\rangle ∣ ψ i ′ ⟩ 传递给 Bob 后,Bob 的测量结果也随机。因此 Bob 有 50 % 50\% 50% 的概率测量正确。
综上,Bob 的测量结果 25 % 25\% 25% 的错误率。