一种超宽带超高速无距离限制的量子通信方法与流程

一种超宽带超高速无距离限制的量子通信方法属于量子通信领域，具体属于一种超宽带超高速无距离限制的量子通信方法。

背景技术：

量子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。量子通讯是近二十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。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点；

光量子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。根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两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；

经典通信较光量子通信相比，其安全性和高效性都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会“泄密”，其一体现在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；其二，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，另外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，引起其坍塌，因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏，并非原有信息。高效，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 的n次幂，以及更高；

中国科学技术大学的中科院量子信息重点实验室的有关科学家在高维量子信息存储方面取得重要进展，该实验室的研究小组在2013年首次成功地实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲的存储与释放，证明了高维量子态的存储是完全可行的。该小组通过两个磁光阱制备了两个冷原子团，利用其中一个冷原子团通过非线性过程制备标记单光子，并通过螺旋相位片使该光子携带一定的轨道角动量，具有特殊的空间结构。而后利用电磁诱导透明效应将其存储于另一个作为存储介质的冷原子团中，实验结果清楚地证明了单光子携带的轨道角动量可以高保真地被存储。同时该小组借助于精心设计的Sagnac干涉仪，通过量子层析技术和干涉技术成功地证明了单光子轨道角动量的叠加性也可以在存储过程中很好地保持，而态的叠加特性是量子信息之所以不同于经典信息的根本之处；从而在国际上首次实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系综中的存储与释放，证明了建立高维量子存储单元的可行性，迈出了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的关键一步；当今的学术界认为：

第一，量子纠缠确定的只是两个量子之间具有纠缠关系，而具体两个量子的状态并非一成不变的，只要其中一个粒子改变状态，另一个也会立即改变，并且这种改变是瞬时的，截止2013年的技术并不能检测到两个粒子之间发生了任何信号传输，他们之间究竟是靠什么联系至今没有实验能证明，有人认为是某种神秘信号，也有人认为是宇宙中固有的联系，但实验可以证明的是，让他们之间产生联系的如果是某种神秘信号，其传输速度远大于光速，由于不能检测到这种“信号”的任何能量，所以这种现象和狭义相对论之间是否对立不能简单地下结论；

第二，截止2013年的技术，量子通信的确不能超过光速，但这并不代表量子本身的状态传递速度不能超过光速，量子通信不能超过光速的原因是由于研究和认识水平决定的，截止2013年的研究表明量子的状态传递是不能携带任何信息的，也就是说量子的状态传递不能作为经典通信中的载波，这样的现实使得量子通信不能超过光速，至于未来如何发展没有人能下结论。

技术实现要素：

鉴于上述现有的量子技术学术背景，

1）人们不能检测到两个纠缠的量子或粒子之间的任何信号传输，即相互纠缠的两个量子的状态传递是不能携带任何信息的，

2）截止到2016-11-9，当今的量子通信速度的确不能超过光速，

3）相互纠缠的两个量子只要其中一个粒子改变状态，另一个也会立即改变，并且这种改变是瞬时的，是量子远程传态，既是远距离的或无距离限制的量子状态传输，

根据上述量子纠缠的量子特性，发明了一种超宽带超高速无距离限制的量子通信方法，其特征在于，本发明方法的通信带宽不受限制，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；光量子和/或量子为电子或原子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，光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的18446744073709551616次或18446744073709551616个数字，那么效率之差是惊人的2 的64次幂，以及更高，既是无线的超宽带的，其特征还在于本发明方法的通信速度是超光速的、是瞬时完成的，既是超高速的，其特征还在于本发明方法的通信距离不受限制，既是无距离限制的。

本发明方法的量子通信方法一如下：其步骤是，

1）使用现有技术构建若干对量子纠缠对，将若干对量子纠缠对中的量子的其中一种状态规定为1，另一种状态规定为0，

2）将所述若干对量子纠缠对进行从高位到低位进行排序，将纠缠在一起的两个量子通过量子纠缠分发机分开，分别存放在发送方和接收方的量子状态源存储器的从高位到低位的对应位置上，并作出相应的状态为1或状态为0的标记，且状态为1和状态为0的量子间隔排列，量子状态源存储器上从高位第一位开始，从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位分别对应于若干位二进制信息的从高位到低位的每一位，且所述从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位上分别存放不同状态的量子，所述每2位上分别存放不同状态的量子的排列顺序或任意，如10或01，量子状态源存储器上排序相同位置上发送方状态为1和/或状态为0的量子与接收方状态为0和/或状态为1的量子是一对量子纠缠对，量子状态源存储器制作完备后或使用量子状态复制机制作备份的量子状态源存储器，

3）发送方量子密钥通讯机将发送方内存中和/或存储器上的将要发送给接收方的信息转换成二进制信息和/或转换成加密后的二进制信息的从高位到低位的1或0的数字信息，

4）发送方量子状态测量和/或状态读取机根据发送方将要发送的二进制信息和/或加密后的二进制信息的从高位到低位的1或0的数字信息和/或顺序，顺序读取和/或联合测量（一种操作）发送方量子状态源存储器上从高位第一位开始，从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位中的相应位对应的量子状态为1或状态为0的其中一个量子和/或量子状态，使得顺序读取和/或联合测量的从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位中的量子状态为1或状态为0的其中一个量子和/或量子状态与二进制信息的从高位到低位的数字信息1或数字信息0的对应位一一对应，即数字信息1与量子状态1对应，数字信息0与量子状态0对应，

5）接收方的量子状态源存储器上从高位第一位开始，从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位中的相应位对应的量子状态为0或状态为1的被纠缠的量子和/或量子状态瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方量子状态源存储器中对应位的纠缠量子和/或量子状态坍塌（变化）后的状态是对称的，

6）接收方的量子状态测量和/或状态读取机顺序读取和/或联合测量接收方的量子状态源存储器中从高位到低位发生坍塌（变化）的量子的状态，测量出和/或根据标记获取发生坍塌（变化）的量子的原量子状态和/或原量子状态顺序信息，或对坍塌的量子和/或量子状态进行幺正变换（相当于逆转变换），得到与发送方完全相同的量子状态和/或量子状态顺序信息，获取其中的二进制信息和/或加密后的二进制信息，然后通过量子密钥通讯机将所获得的二进制信息和/或加密后的二进制信息存储于和/或解密后存储于接收方的内存和/或存储器上，

7）发送方和/或接收方分别利用量子状态复制机将备份的量子状态源存储器中的全部量子和/或量子状态从高位到低位按顺序复制和/或恢复到先一步全部销毁了全部量子和/或量子状态的量子状态源存储器中对应位置上，和/或将备份的量子状态源存储器中的与量子状态源存储器中发生坍塌的量子对应的量子和/或对应的量子状态复制和/或恢复到量子状态源存储器中发生坍塌的量子的对应位置上，和/或利用量子状态恢复机恢复发生坍塌的量子的原始量子状态，保持发送方和/或接收方量子状态源存储器中的纠缠量子的量子状态为原始的纯化的最大纠缠态的量子状态，保持量子状态源存储器上排序相同位置上发送方的状态为1和/或状态为0的量子与接收方的状态为0和/或状态为1的量子是一对量子纠缠对，

8）和/或重复上述3~7各步骤，直至将发送方要发送的二进制信息和/或加密后的二进制信息和/或若干大容量的二进制信息全部发送出去，并且接收方通过量子状态源存储器，和/或量子状态测量和/或状态读取机，和/或量子密钥通讯机将所获得的二进制信息和/或加密后的二进制信息和/或若干大容量的二进制信息全部存储于和/或解密后存储于接收方的内存和/或存储器上。

本发明方法的量子通信方法二如下：其步骤是，

1）使用现有技术构建若干对量子纠缠对，将若干对量子纠缠对中的量子的其中一种状态规定为1，另一种状态规定为0，

2）将所述若干对量子纠缠对进行从高位到低位进行排序，将纠缠在一起的两个量子通过量子纠缠分发机分开，分别存放在发送方和接收方的量子状态源存储器的从高位到低位的对应位置上，并作出相应的状态为1或状态为0的标记，且状态为1和状态为0的量子间隔排列，量子状态源存储器上从高位第一位开始，从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位分别对应于若干位二进制信息的从高位到低位的每一位，且所述从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位上分别存放不同状态的量子，所述每2位上分别存放不同状态的量子的排列顺序或任意，如10或01，量子状态源存储器上排序相同位置上发送方状态为1和/或状态为0的量子与接收方状态为0和/或状态为1的量子是一对量子纠缠对，量子状态源存储器制作完备后或使用量子状态复制机制作备份的量子状态源存储器，

3）发送方量子密钥通讯机将发送方内存中和/或存储器上的将要发送的接收方“是否可以接收信息”的询问信息转换成二进制信息和/或转换成加密后的二进制信息的从高位到低位的1或0的数字信息，

4）发送方量子状态测量和/或状态读取机根据发送方将要发送的接收方“是否可以接收信息”的询问信息的二进制信息和/或加密后的二进制信息的从高位到低位的1或0的数字信息和/或顺序，顺序读取和/或联合测量发送方量子状态源存储器上从高位第一位开始，从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位中的相应位对应的量子状态为1或状态为0的其中一个量子和/或量子状态，使得顺序读取和/或联合测量的从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位中的量子状态为1或状态为0的其中一个量子和/或量子状态与二进制信息的从高位到低位的数字信息1或数字信息0的对应位一一对应，即数字信息1与量子状态1对应，数字信息0与量子状态0对应，然后等待接收方的回复信息，

5）接收方的量子状态源存储器上从高位第一位开始，从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位中的相应位对应的量子状态为0或状态为1的被纠缠的量子和/或量子状态瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方量子状态源存储器中对应位的纠缠量子和/或量子状态坍塌（变化）后的状态是对称的，

6）接收方的量子状态测量和/或状态读取机顺序读取和/或联合测量接收方的量子状态源存储器中从高位到低位发生坍塌（变化）的量子的状态，测量出和/或根据标记获取发生坍塌（变化）的量子的原量子状态和/或原量子状态顺序信息，或对坍塌的量子和/或量子状态进行幺正变换（相当于逆转变换），得到与发送方完全相同的量子状态和/或量子状态顺序信息，获取其中的二进制信息和/或加密后的二进制信息，然后通过量子密钥通讯机将所获得的二进制信息和/或加密后的二进制信息存储于和/或解密后存储于接收方的内存和/或存储器上，

7）发送方和/或接收方分别利用量子状态复制机将备份的量子状态源存储器中的全部量子和/或量子状态从高位到低位按顺序复制和/或恢复到先一步全部销毁了全部量子和/或量子状态的量子状态源存储器中对应位置上，和/或将备份的量子状态源存储器中的与量子状态源存储器中发生坍塌的量子对应的量子和/或对应的量子状态复制和/或恢复到量子状态源存储器中发生坍塌的量子的对应位置上，和/或利用量子状态恢复机恢复发生坍塌的量子的原始量子状态，保持发送方和/或接收方量子状态源存储器中的纠缠量子的量子状态为原始的纯化的最大纠缠态的量子状态，保持量子状态源存储器上排序相同位置上发送方的状态为1和/或状态为0的量子与接收方的状态为0和/或状态为1的量子是一对量子纠缠对，

8）接收方的量子密钥通讯机根据接收方的内存和/或存储器若干软硬件判断是否可以继续接收信息和/或不能继续接收信息的信息，采用步骤3）~7）的方法回复发送方的询问，发送“可以接收信息”或“不可以接收信息”的信息，

9）若接收方回复发送方的是“可以接收信息”的信息，则发送方采用步骤3）~8）的方法，通过量子状态源存储器，和/或量子状态测量和/或状态读取机，和/或量子密钥通讯机，和/或内存和/或存储器，继续发送若干二进制信息和/或加密后的二进制信息和/或若干大容量的二进制信息，若接收方回复发送方的是“不可以接收信息”的信息，则发送方停止发送信息，

10）或发送方和/或接收方分别利用量子状态复制机将备份的量子状态源存储器中的全部量子和/或量子状态从高位到低位按顺序复制和/或恢复到先一步全部销毁了全部量子和/或量子状态的量子状态源存储器中对应位置上，和/或将备份的量子状态源存储器中的与量子状态源存储器中发生坍塌的量子对应的量子和/或对应的量子状态复制和/或恢复到量子状态源存储器中发生坍塌的量子的对应位置上，和/或利用量子状态恢复机恢复发生坍塌的量子的原始量子状态，保持发送方和/或接收方量子状态源存储器中的纠缠量子的量子状态为原始的纯化的最大纠缠态的量子状态，保持量子状态源存储器上排序相同位置上发送方的状态为1和/或状态为0的量子与接收方的状态为0和/或状态为1的量子是一对量子纠缠对，

11）和/或重复上述步骤3）~10）各步骤，直至将发送方要发送的若干二进制信息和/或加密后的二进制信息和/或若干大容量的二进制信息全部发送出去，并且接收方通过量子状态源存储器，和/或量子状态测量和/或状态读取机，和/或量子密钥通讯机将所获得的若干二进制信息和/或加密后的二进制信息和/或若干大容量的二进制信息全部存储于和/或解密后存储于接收方的内存和/或存储器上。

所述量子纠缠对是经过量子纠缠纯化的量子对，如相互纠缠的光子对、电子对、原子对若干粒子对，且保证量子纠缠中的量子具有最大保真度、具有最大纠缠态。

本发明有益效果

本发明的量子通信方法不需要网线，没有信道限制，超大容量信息能够瞬间传递，具有超宽带、超高速、无距离限制的特点，是最新的量子通信方法，将给现有的互联网从联接方式、信息传递速度、联接距离若干方面带来巨大变化。

附图说明

图1是发送方和接收方的信息收发组成模块图示意图，

图2是量子纠缠分发机分发量子纠缠对并存储在接收双方量子状态源存储器中的示意图，

附图标记说明

F1——发送方相当于二进制信息的第8位，F2——发送方相当于二进制信息的第7位，

F3——发送方相当于二进制信息的第6位，F4——发送方相当于二进制信息的第5位，

F5——发送方相当于二进制信息的第4位，F6——发送方相当于二进制信息的第3位，

F7——发送方相当于二进制信息的第2位，F8——发送方相当于二进制信息的第1位，

S1——接收方相当于二进制信息的第8位，S2——接收方相当于二进制信息的第7位，

S3——接收方相当于二进制信息的第6位，S4——接收方相当于二进制信息的第5位，

S5——接收方相当于二进制信息的第4位，S6——接收方相当于二进制信息的第3位，

S7——接收方相当于二进制信息的第2位，S8——接收方相当于二进制信息的第1位。

具体实施方式

实施例，为了使得本发明方法能够清晰易懂，结合说明书附图1/2，进一步说明本发明方法的量子通信方法一，具体如下：

1）使用现有技术构建16对量子纠缠对，将16对量子纠缠对中的量子的其中一种状态规定为1，另一种状态规定为0，如说明书附图2所示，

2）将所述16对量子纠缠对进行从高位到低位进行排序，将纠缠在一起的两个量子通过量子纠缠分发机分开，分别存放在发送方和接收方的量子状态源存储器的从高位到低位的对应位置上，并作出相应的状态为1或状态为0的标记，且状态为1和状态为0的量子间隔排列，如发送方的量子状态源存储器中的量子状态从高位到低位顺序是1010101010101010，接收方的量子状态源存储器中的量子状态从高位到低位顺序是0101010101010101，量子状态源存储器上从高位第一位开始，从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位分别对应于8位二进制信息的从高位到低位的每一位，且所述从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位上分别存放不同状态的量子，所述每2位上分别存放不同状态的量子的排列顺序或任意，如10或01，量子状态源存储器上排序相同位置上发送方状态为1和/或状态为0的量子与接收方状态为0和/或状态为1的量子是一对量子纠缠对，量子状态源存储器制作完备后或使用量子状态复制机制作备份的量子状态源存储器，如说明书附图2所示，

3）发送方量子密钥通讯机将发送方内存中和/或存储器上的将要发送给接收方的信息转换成二进制信息和/或转换成加密后的二进制信息的从高位到低位的1或0的数字信息，如要发送的二进制信息和/或加密后的二进制信息为01000001，

4）发送方量子状态测量和/或状态读取机根据发送方将要发送的二进制信息和/或加密后的二进制信息如01000001的从高位到低位的1或0的数字信息和/或顺序，顺序读取和/或联合测量发送方量子状态源存储器上从高位第一位开始，从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位中的相应位对应的量子状态为1或状态为0的其中一个量子和/或量子状态，使得顺序读取和/或联合测量的从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位中的量子状态为1或状态为0的其中一个量子和/或量子状态与二进制信息01000001的从高位到低位的数字信息1或数字信息0的对应位一一对应，即数字信息1与量子状态1对应，数字信息0与量子状态0对应，如顺序读取和/或联合测量量子状态源存储器中的下列位置的量子和或量子状态，

F1位置状态为0的量子的状态，

F2位置状态为1的量子的状态，

F3位置状态为0的量子的状态，

F4位置状态为0的量子的状态，

F5位置状态为0的量子的状态，

F6位置状态为0的量子的状态，

F7位置状态为0的量子的状态，

F8位置状态为1的量子的状态，如说明书附图2所示，

5）接收方的量子状态源存储器上从高位第一位开始，从高位到低位相邻的连续的不重复的每2位中的相应位对应的量子状态为0或状态为1的被纠缠的量子和/或量子状态瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方量子状态源存储器中对应位的纠缠量子和/或量子状态坍塌（变化）后的状态是对称的，如瞬间发生坍塌（变化）的被纠缠的量子的位置和/或量子状态和/或量子状态的顺序是，

S1位置上状态为1的量子的状态，

S2位置上状态为0的量子的状态，

S3位置上状态为1的量子的状态，

S4位置上状态为1的量子的状态，

S5位置上状态为1的量子的状态，

S6位置上状态为1的量子的状态，

S7位置上状态为1的量子的状态，

S8位置上状态为0的量子的状态，如说明书附图2所示，

6）接收方的量子状态测量和/或状态读取机顺序读取和/或联合测量接收方的量子状态源存储器中从高位到低位发生坍塌（变化）的量子的状态，测量出和/或根据标记获取发生坍塌（变化）的量子的原量子状态和/或原量子状态顺序信息如10111110，或对坍塌的量子和/或量子状态进行幺正变换（相当于逆转变换），得到与发送方完全相同的量子状态和/或量子状态顺序信息如01000001，获取其中的二进制信息和/或加密后的二进制信息如01000001，然后通过量子密钥通讯机将所获得的二进制信息和/或加密后的二进制信息01000001存储于和/或解密后存储于接收方的内存和/或存储器上，

7）发送方和/或接收方分别利用量子状态复制机将备份的量子状态源存储器中的全部量子和/或量子状态从高位到低位按顺序复制和/或恢复到先一步全部销毁了全部量子和/或量子状态的量子状态源存储器中对应位置上，和/或将备份的量子状态源存储器中的与量子状态源存储器中发生坍塌的量子对应的量子和/或对应的量子状态复制和/或恢复到量子状态源存储器中发生坍塌的量子的对应位置上，和/或利用量子状态恢复机恢复发生坍塌的量子的原始量子状态，保持发送方和/或接收方量子状态源存储器中的纠缠量子的量子状态为原始的纯化的最大纠缠态的量子状态，如发送方的量子状态源存储器中的量子状态从高位到低位顺序是原来的1010101010101010，接收方的量子状态源存储器中的量子状态从高位到低位顺序是原来的0101010101010101，并保持量子状态源存储器上排序相同位置上发送方的状态为1和/或状态为0的量子与接收方的状态为0和/或状态为1的量子是一对量子纠缠对，如说明书附图2所示，

8）和/或重复上述3）~7）各步骤，直至将发送方要发送的二进制信息和/或加密后的二进制信息01000001和/或若干大容量的二进制信息全部发送出去，并且接收方通过量子状态源存储器，和/或量子状态测量和/或状态读取机，和/或量子密钥通讯机将所获得的二进制信息和/或加密后的二进制信息01000001和/或若干大容量的二进制信息全部存储于和/或解密后存储于接收方的内存和/或存储器上，如附图1所示。

综上所述，以上本发明实施例及其参数，并非用以限制本发明，尽管本说明书及实施例已对本发明进行了较详细的说明，本领域普通技术人员应理解，能够对本发明的方法方案或技术方案进行修改和/或同等替换，在不脱离本发明方案精神的前提下，本发明还会有若干变化和改进， 这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。