《排列三字谜》

量子通信究竟是个什么高大上的玩意儿

2017/6/16 13:17:00

本文地址:http://www.tjsni.com.cn/article/3000066176
文章摘要:量子通信究竟是个什么高大上的玩意儿,高深莫测固定资产陈良宇,降大任试点方案带坏。

(一)不讲道理的奇怪世界

  早在今年8月16日凌晨1时40分,中国在酒泉卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭发射了世界第一颗“量子科学实验卫星”。约十一分半后星箭分离,顺利进入了距离地面500千米的太阳同步轨道。这是人类历史上第一颗尝试运用量子信息技术来实现 “天地交流” 的卫星。该卫星取名为“墨子”号,这位2000多年前的先人最早提出了光是直线传播并设计了小孔成像实验。"墨子"号是继“悟空”暗物质卫星、“实践十号”微重力科学实验卫星后的第三颗科学卫星,由中国科学技术大学和中科院上海技术物理研究所共同研制,于2012年正式立项。那么“墨子”到底要做什么呢?量子又是啥东东?量子隐形传态又是几个意思呢?

I7rjseb6NQtU2beKwh8w69mAndZ7Xb1xDUQTxev7wsVwa1480310421968transferflag.png  

量子通信卫星示意图(来源:网络)

  首先,很多人以为量子就是指非常非常小的粒子,比原子更小,比质子还小。后半句半对半错,前半句基本不对。“量子”一词最早是普朗克在研究黑体辐射的过程中提出的,刚开始他称为“作用量子”(Quantum of action)。1900年12月14日——被量子理论先驱之一的索末菲称之为“量子理论诞辰日”的这天,普朗克在柏林物理学会上宣读了那篇具有跨时代意义的论文《正常光谱能量分布律理论》,得到一个重要结论:能量是由确定数目的、彼此相等的、有限的能量包构成。“量子”指的是微观世界的一种行为倾向,分子、原子、基本粒子(如光子、电子等)都有可能是量子态的粒子,量子态的粒子会呈现明显的波粒二象性。随着量子概念的提出,就仿佛打开了潘多拉魔盒,引发整个物理世界一场“混战”;同时,随着量子理论的发展,这个真实的世界越来越让我们“看不懂”了。

timg.jpg

量子物理先驱之一普朗克(来源:网络)

  就如前文所说,所谓“量子”指的是粒子的能量是一份一份的,离散而非连续,就好比骰子上只有1、2、3、4、5、6这六个数,没有2.3这个数。再举个更生活化的例子,点心店里卖大馒头、也卖小馒头,但是这些馒头都是一个一个且掰不开(就是这种新品种,至于为什么你管不着),所以你也只能一口一个这么吃。然而更奇怪的是,按我们生活常理,如果我吃两个大馒头能饱的话或许我吃6个小馒头也能饱,然而在量子的世界不是这样,要么大馒头一吃就饱,要么吃再多的小馒头也不能饱。这里也只是一个比方,就是指电磁波频率越高,能量越大,照射到金属上的光必须频率高到一定程度如紫外光才能激发出金属上的电子,频率不到,照射时间再长也打不出电子。量子的世界就是这样“无厘头”,然而这仅仅是冰山一角。

timg1.jpg

太阳能电板发电原理就是来自光电效应(来源:网络)

  物理的研究对象是自然界各种各样的存在,而粒子是存在的基本形态,各种物质都可以认为是由粒子组合的。对物质的描述实际就是对粒子的其状态的描述。牛顿力学中指出要确定并预测物质或粒子的状态就需要描述位置和速度(或能量)。这很好理解,我们观察一辆汽车某一瞬时的状态(位置和速度在x, y, z三个方向上的分量)就能预测其下一瞬时的状态,这就是经典物理,描述的是经典粒子。然而我们世界中真正存在的量子粒子却偏偏不是这样。起初并不太看重实验的海森堡最终意识到了光学仪器分辨率的不简单,他发现光学仪器分辨率并不是可以无限提升,想看多小就看多小的。他提出了著名的“测不准原理”,就是说粒子小到一定程度,你要么就测它的位置,要么就测它的能量,两者不可兼得。并且,如果要测得足够小,那就要求用来观测所使用的光的波长足够小,这样频率就高了,于是又会影响到粒子的状态,又测不准了。

timg3.jpg

 海森堡测不准原理:要么测粒子的位置,要么测粒子的能量(速度)(来源:zazzle.com)

  量子世界中存在这个神奇的“翘翘板”,一头坐着位置,一头坐着速度,它们此消彼长,不能同时处在地面(测准),这就是“叠加态”——所以速度的完全确定就导致了位置的完全不确定。而位置的完全确定又导致了速度的完全不确定。一个有完全确定速度的粒子状态,是所有不同位置的粒子状态的一个叠加。一个有完全确定位置的粒子状态,是所有不同速度的粒子状态的一个叠加。听着既拗口又别扭是吧?对!量子的世界就是这样虐心!如今薛定谔的那只小猫咪早已家喻户晓。就如“宇宙大爆炸”一样,起初都是对该理论的质疑或调侃,不曾想这些名称却变得那么地形象,家喻户晓,甚至成为该理论的标签。薛定谔的猫指的是密闭的房子里有一直猫咪,房子连着一个毒气瓶,由一个有50%衰变概率的粒子控制,粒子衰变就会触动机关打碎毒气瓶,猫咪就死了。然而在不打开房子前,你并不知道猫咪是活着还是死了,它是“又活又死”或是“不活不死”的(不是半死不活),死和活是0和1这种对立关系,这种既可能是0又可能是1,就是一种叠加态。还有我们知道光的波粒二象性,就是既有波的特性,又有粒子特性,要么观测波(如双缝干涉实验),要么观测粒子(如光电效应),要同时观察或测量波和粒子两种状态,很难很难。

cFKFgXEdinj05D8VQpNS0t0nTXdnjo4wjA9lx2YrJMs1a1480310421970transferflag.png

  总之,量子世界就是三个字——不知道。在使用某一种观测手段对其进行观测前,你不知道那些粒子到底是什么状态,一旦观测到其中某一种状态往往就决定了你只知道这一种状态,而另外的状态也就不存在,你无法同时知道,前面所讲的叠加态被打破了,这就是所谓的波函数塌缩,这就是所谓观测决定了状态。所以用一句很“量子”的话来说就是——量子物理是“眼见为实”,而不是“眼见为实”的——前者意思是“确实”,排列三字谜:后者意思是“真实”。我们只有通过观测才能确定下某种状态,但这却又不见得是真实的情况。

(二)不可破解的量子密钥

  观测的方法决定了粒子的状态,听上去匪夷所思,而且怎么感觉有点“唯心主义”?然而无数实验证明,我们的世界就是这样,不管你信不信,不管你服不服,必须接受。

  在很多科学理论发展之后,就会有人提出“有什么用”的问题。科学家也不例外。他们发现了量子特性的其中一项非常重要的应用——量子通信,更确切地说是量子加密通信。

  传统的加密方式是这样:A将信息进行一定的数学运算,编制成一段看上去无意义信息(加密),传递给B;而B则需要进行相应的“逆运算”,再把无意义的信息翻译过来还原成本来面目(解密)。不过这一过程要求A将密码本传递给B,或者事先约定。传递密码本很难保证绝对安全,即便在信息化的今天,依然如此,各种窃听手段做的就是这事情。而且如今在亿亿次每秒这样强大的计算机的支持下,即便他人没有获得密码本,也可以通过一定的算法,甚至是暴力方式破解密码。RSA512算法在1999年就被破解,RSA768在2009年被破解,MD5和SHA-1两大密算也已告破。而在量子计算面前,传统算法被碾压式击败。经估算,利用经典的THz级计算机破解300位的大数需要15万年,而使用Shor量子分解算法只需要1秒钟!

6nkCssIPS0UhFBu34lq9odrcwt1r6cfybuCplRiGhign%3D1480310473240transferflag.png  

传统加密方法(来源:网络)

  如果采用量子通信方式或许可以解决这个问题。目前实用化的量子密码是基于查理斯?本内特(Charles Bennett)和吉勒?布拉萨(Gilles Brassard)在1984年提出的BB84协议。该协议把密码以密钥的形式分配给信息的收发双方,因此也称作“量子密钥分发”。该协议利用光子的偏振态来传输信息。振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振,现在很多太阳镜就是偏振镜。

  高能预警:下面要开始解释量子加密通信的原理了,请把安全带扣好系紧。

  光子有两个偏振方向,而且相互垂直,所以信息的发送者和接收者都可以简单地选取90度的测量方式,记作“+”,或45度的测量方式,记作“×”,来测量光子。在90度的测量方式中,偏振方向“↑”代表状态0,偏振方向“→”代表状态1;在45度的测量方式中,偏振方向“↗”代表状态0,偏振方向“↘”代表状态1。一方面,对于偏振方向“↑”或偏振方向“→”的光子,如果选择“+”来测量,得到的结果仍是原来的偏振方向;如果你选择“×”方向去测量,不论光子原来偏振方向如何,你都会随机得到“↗”或者“↘”的光子,几率各为50%。另一方面,但是如果选择“+”来测量偏振态“↗”或“↘”,测量结果有50%的几率为“→”,50%的几率为“↑”;如果选择“×”来测量“→”或“↑”,测量结果有50%的几率为“↗”,50%的几率为 “↘”。

ag3kGUG4oZ9AYj41OCeFVg4hs4DDi3oXhy3KQzHsvErRk1480310473242transferflag.png

  光的偏振示意图,对偏振方向“↑”的光子用“×”方向去测量会得到“↗”或者“↘”的光子,几率各为50%(来源:phys.nchu.edu.tw)

  大家应该知道现代计算机使用的是0和1的二进制码,一个0或1被成为bit,音译过来就是比特。为了加以区别,这种传统的二进制方式被叫做“经典比特”。在量子信息学中相应的二进制码叫一个量子比特(qubit)就是0和1的叠加态。一个量子比特(qubit)就是0和1的叠加态。

  为了生成一组二进制密码,发送者Alice首先随机生成一组二进制比特,我们称之为“发送者的密码比特”。同时发送者对每个“发送者的密码比特”都随机选取一个测量模式(“+”或者“×”),然后把在这个测量模式下,每个“发送者的密码比特”对应的偏振状态的光子发送给接受者。比如下图中传输一个比特1(蓝色),选择的测量模式为“+”,则发送者需要发出一个偏振态为“↑”的光子,再传输一个比特0(紫色),选择的测量模式为“+”,发出一个偏振态为“→”的光子,以此类推。

fiIFX9cRautqXsYxawP80xN9Z3Q%3DMrXjvA0QX8icm3OMR1480310473242transferflag.png

量子密码示意图(来源:网络)

  接受者Bob也必须对接收到的每个比特随机选择“+”或者“×”来测量,测量结果记录也对应好记作一组0和1的列表。当接收者获得全部测量结果后,他将通过经典信道(电话、电报、短信、微信等)与发送者联系,互相分享各自采用过的测量方式。这时,他们只保留相同的测量方式(“+”或者“×”)的数据,舍弃不同的测量方式的数据。保留下来的测量方式所对应的二进制比特,就是他们最终生成的密码,如上图中最后一行才是密码。

  就是因为存在这种奇怪的不确定性,对窃听者来说就增加了很大的难度。他也同样要随机地选取“+”或者“×”来测量发送者发送的比特。例如发送者的测量方式为“+”,选择发送“→”来代表1,那么如果窃听者选取的测量方式也为“+”,他就不会被察觉。但是因为获者是随机选取测量方式,他有50%的概率选择“×”,这样,量子力学的测量概率特性使光子的偏振就有50%的概率变为“↗”,有50%的概率变为“↘”。而且,由于光子偏振状态会受到观测的影响,如果接收方测量的是经过截获的光子,即光子的偏振已经因为量子测量已经坍缩成了50%的概率“↗”和50%的概率“↘”,接收方测量的最终结果便会变为50%的概率“↑”和50%的概率“→”。于是,当接收方再去测量这个光子偏振的时候,就会产生概率为50%×50%=25%的与发送方不同的测量结果。换言之,即便是有窃听者,发送者与接受者也能立刻发觉,可以立即关闭通信,重新再发密码。

  由于存在量子不可分割、量子不可克隆、测不准等特点,再加上加密过程是一次一密,完全随机,所以无论如何,窃听者都无法达到窃听的目的。所以,量子密码本身可以说从根本上保证了传输信息过程的安全性。然而,他可以来个“鱼死网破”,无法窃听那就去干扰你破坏正常的密码通信;或者,对经典信道进行窃听,从而去做一定的猜测。所以从某种意义上讲,这种量子通信方式依然还有短板存在。

QylJIh6ZD0gto3SbALT2zzVR1Ig83pfYG07chy1rQaHuT1480310473244transferflag.png

量子保密通信的优点(来源:网络)

  (三)令人期待的未来世界

  前文介绍了量子密码通信,这里再介绍另一种量子通信方式,也是“墨子”号所使用的方式。

  量子叠加态是量子物理中最神秘也是最基本的特性

  ,而量子纠缠是多粒子的一种叠加态。比如说同时产生的一堆双粒子,粒子A可以处于某个物理量的叠加态,另一个粒子B同时也可以处于某个物理量的叠加态。当这两个粒子发生所谓的纠缠,就会形成一个双粒子的叠加态,就称之为纠缠态。奇怪的是,粒子的纠缠态是没有距离限制的,无论两个粒子相隔多远,只要没有外界干扰,当A粒子处于0态时,B粒子必定处于1态;反之,当A粒子处于1态时,B粒子必定处于0态。影响双方的量子纠缠是跨越时空瞬间产生的,爱因斯坦认为这违反了他的相对论,因此提出强烈质疑,并称其为“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance)。

     TS4%3DyV92HqOk9Bx0wA1dwt8kRCn3tk7JGbDcfu3F2nGru1480310489199transferflag.png  
量子纠缠示意图(来源:网络)

  为了招安这个叛逆,科学家提出了“隐变量理论”来解释这种超距相互作用,然而,不幸的是后来越来越多的实验都力挺量子力学,反而把“朝廷”颁布的“隐变量理论”诏书宣判了死刑。从此,量子力学与爱因斯坦改良后的经典力学分庭抗礼。

  我们都知道量子力学为现代计算机的发展发挥了巨大作用,我们的芯片越来越小,速度越来越快,但曾经神奇的“摩尔定律”似乎也遇到了瓶颈。这个技术说到底还是基于经典力学的,二进制码0和1是通过高低电平控制半导体的通路与断路。随着量子力学体系的完善,量子技术的应用就成为人类的下一目标,量子信息学就此诞生。在量子信息学中,量子纠缠就不仅仅是一个基础理论了,而是作为量子信息科技的核心。

  在量子信息范畴,就要求真正地使用量子技术,我们把利用量子纠缠态的量子通信就是叫量子隐形传态(quantum teleportation)。通俗地讲就是使用量子纠缠的原理和量子技术传送量子的状态,这里的“隐形”也只是一个比喻。所要传送的量子的状态就是量子比特,一个量子比特就是0和1的叠加态。但是需要指出的是,经典比特的0和1是两个值,而量子比特的0和1可以看作两个向量,一个量子比特可以是0和1这两个向量的所有可能的组合(好比是两个向量之间可以有各种角度),因此理论上讲一个量子比特的值有无限个。

  那么量子隐形传态实现的原理又是什么呢?

  第一步,制备。制备一个纠缠粒子对。将1个粒子发送到A点,另一个粒子发送至B点。

  第二步,测量。在A点,另一个粒子3携带一个想要传输的量子比特Q。于是A点的粒子1和B点的粒子2对与粒子3一起会形成一个总的纠缠态。这时候如果在A点同时测量粒子1和粒子3,得到一个测量结果。如此以来,这个测量会使粒子1和粒子2的纠缠态坍缩掉,粒子1会呈现0或1的状态,相应的粒子二就会呈现1或0的状态。但同时粒子1和和粒子3却纠缠到了一起。

  第三步,通知。A点的人利用经典通讯方式,电话、电报、短信、微信都可以,把自己的测量结果告诉B点的人。

  第四步,探知。B点的人收到A点的测量结果后,就知道了B点的粒子2处于哪个态。只要对粒子2稍做一个简单的操作,它就会变成粒子3在测量前的状态,如此,也就是说,B点的人在没有见到粒子3的情况下,就可以获得粒子3所携带的量子比特。

nIaHKzCuU0fnKtPQ0qnGPPsUCyBCkt0DprrVoNdf167Vi1480310489202transferflag.png

量子隐形传态示意图(来源:网络)

  就这样,通过量子隐形传态的方法,即通过量子纠缠把一个量子比特无损地从一个地点传到另一个地点。需要注意的是,其中第三步仍然需要依靠经典信息传输而且不可忽略,而这种传输方式显然是无法超过光速的,因此量子隐形传态的信息传输速度也没有违反相对论,也没有违反因果律。

  进行量子隐形传态试验,这就是“墨子”号要做的事情。“墨子”号会在空中向两个地面接收站分发一个纠缠光子对,然后让两地同时进行测量,这样就解决了高速传递密钥的问题,利用量子纠缠来实现量子比特的传输,这才是真正意义上的量子通信,也有望实现真正“不可破解”的保密通信。此外,考虑到量子计算需要直接处理量子比特,于是可以直接传送量子比特的量子隐形传态毫无疑问将成为未来首选的量子通信方式。未来量子互联网将是“一步登天”的,即由地面量子通信网络、量子计算机终端、量子通信卫星和量子隐形传态技术一同构成。未来的量子信息时代妙不可言!

继续阅读>>