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走近“颠覆性技能”:量子通信是否取代传统通讯?-中

* 来源 :http://www.noorayub.com * 作者 : * 发表时间 : 2017-11-25 09:51 * 浏览 :

  四问量子通信(关注?走近“颠覆性技能”②)

  打个电话,会不会被窃听?通过网络传送一份保密文件,途中被别人窃取咋办……古代社会,信息安全面临的问题越来越多。

  有不一种不可破译的保密方法,能让传送的信息绝对安全坚固?近些年来,量子通信技术的奔跑发展正让空想成为事实。

  一问:什么是量子?

  量子是光子、质子、中子、电子、介子等基本粒子的统称,是能量的最基本携带者

  量子是物理世界里最小的、不可宰割的基本单元,是能量的最基本携带者。它是光子、质子、中子、电子、介子等根本粒子的统称。可以说,全体世界都是由量子组成的。好比,日常生活中的光,就由大量光量子组成。

  量子有不同于宏观物理世界的奇妙现象,其中最为著名的就是量子叠加和量子纠缠。

  “量子世界跟宏观世界最大的差异,就是量子有多个可能状况的叠加态。”中科院量子信息与量子科技翻新研讨院、中国迷信技巧大学上海研究院副研究员张文卓说,“这种景象在宏观世界里是存在不了也无奈坚持的。在宏观的经典世界里,1就是1,2就是2。而在微观的量子世界中,一个状态能够存在于1和2之间,它既不是1,也不是2,但它既是1,又是2。”

  “打个比方吧,这就比如孙悟空的分身术。一个孙悟空可以同时呈现在多个处所,孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。”中科院院士、中国科学技术大学教养潘建伟说明道,“在日常生涯中,一个人不可能同时出当初两个地方。但在量子世界里,作为一个微观的客体,它可能同时涌当初良多地方。”

  而所谓量子纠缠,也是量子叠加的一种表现,是指两个处在纠缠态的量子一旦分开,不论离开多远,如果对其中的一个粒子测量,另一个粒子就会即时发生变化,且是不须要时间的变化。

  “这两个纠缠在一起的量子就好比是一对有心电感应的双胞胎,不管两人距离多远,千公里量级或者更远,只有当其中一个人的状态产生变革时,另一个人的状态也会跟着发生一样的变更。爱因斯坦称之为‘幽灵般的超距作用’。”潘建伟说,“量子纠缠所体现的这种非定域性是量子力学最神奇的气象之一。”

  二问:什么是量子通信?

  量子通信是利用量子力学原理对量子态进行操控的一种通信形式,可以有效解决信息安全问题

  近年来,随着量子的各种奇妙特性被科学家始终意识,实用的新技术也被逐渐开发出来,量子通信就是其中之一。

  量子通信是量子信息学的一个重要分支,它利用量子力学原理对量子态进行操控,在两个地点之间进行信息交互,可以实现经典通信所不能实现的任务。量子通信是迄今唯一被严厉证实无条件安全的通信方式,可以有效解决信息安全问题。

  张文卓说:“通常来讲,量子通信分为两种,一种是量子密钥分发;另外一种是量子隐形传态。前者是应用量子的不可复制性以及丈量的随机性来生成量子密码,给传统的数字通信加密;而后者则是利用量子纠缠直接传递量子比特。量子隐形传态是为了给未来的量子计算机之间的通信利用。”

  那么,量子密钥分发是如何天生量子密码来给传统的通信加密的?

  “如果,信息发送者甲想和信息接收者乙共享量子密码。首先,发送者甲需要把一个个独破的单光子发送给乙,一边发一边随机地决定单光子的状态,并把自己的随机筛选方式记录下来。同时乙也需要把收到的光子随机地测量一遍,然后把每个测量方式通过经典通信方式告知甲。”张文卓说,“接下来,甲把乙的测量方式和本人的随机取舍方式做对比,保留测量方式相同的光子,去掉不同的。留下的这些光子的测量结果,就构成了量子密码。而后,乙就可以依据这些密码打开保密信息。”

  量子隐形传态又是如何利用量子纠缠直接传送量子信息的?

  同样是信息发送者甲和接受者乙。这次不是共享密码了,而是要发送包含量子信息的光子a。

  张文卓说:“首先得制备出一对处在量子纠缠态的光子b和c,把b交到发送者甲手里,把c给接收者乙‘拿着’。而后,甲通过自己手中的光子b和这个想要发送的光子a一起做测量,并把测量办法告诉乙。乙再通过这种方法测量手中的c,这时的c已经占领了与a同样的量子信息态。”

  张文卓进一步阐明:“也就是说,咱们并不需要真的传递光子a本身,而是把它的量子态正确传递从前。量子隐形传态利用量子纠缠,吸收者乙在领有纠缠态的光子和发送者甲的测量措施后,可以制造出原物的完美复制品。”

  三问:为何保密性高?

  量子具备测量的随机性和不可复制的特性,几乎不可能被破译

  以往用微电子技术为基础的计算机技术传递信息极易遭遇窃听。

  “由于传统通信的密钥都基于非常复杂的数学算法,只有是通过算法加密的,人们就可以通过计算进行破解。而量子通信则可以做到很安全,不被破译和窃听,这在数学上已经失掉了严格的证明。”张文卓说。

  这种“很保险”是如何实现的?这就要说到在讲量子密钥披发时提到的量子的另外两个特点??测量的随机性跟不可复制。

  什么是量子测量的随机性?

  张文卓说:“在量子力学里,光子可以朝着某个方向进行振动,叫做偏振。因为量子叠加,一个光子可以同时处在程度偏振和垂直偏振两个量子状态的叠加态。这时,如果你拿一个仪器在这两个方向上进行测量,就会发明,每次测量都只会得到其中一个成果:要么是水平的,要么是垂直的。测量的结果完全随机。”

  而在日常的宏观世界里,一个物体的速度和位置,个别是可以同时准确测定的。好比飞机来了,雷达就可以把飞机的速度、地位都准确测定。

  “但在量子世界,测量会破坏或转变量子的状态。假如咱们把一个量子的位置测准了,它的速度就测不准了。”张文卓说。

  既然测量量子的状态会浮现随机的结果,那么人们自然也无法对一个不知道其状态的量子进行复制,这就是量子不可复制的特征。

  运用这两个特性,量子通信也就保障了安全。“在量子密码共享或量子态传递过程中,如果有人窃听,它的状态就会因窃听(测量)发生改变,密码接收的误码率会明显增加,从而引起发送者和接收者的警戒,而停止该信道的发送。如果窃听者始终在这个信道存在,可能换一个不发现窃听者的信道从新发送。”张文卓说,“因为能及时发现窃听者,加上量子的不可复制也使得窃听者无奈采取信息复制的方式来获得合法用户的信息,所以,量子通信存在很强的保密性。”

  四问:是否取代传统通信?

  这是两种不同的通信情势,量子通信是为了让传统的数字通信变得更平安

  量子通信既然这么厉害,那未来会不会取代传统通信?

  张文卓说:“实际上,量子通信的目标并不是要把传统的数字通信给取代掉。比喻量子密钥散发,它自身是为了让传统的数字通信变得更保险,并不能独破存在。而量子隐形传态则完全取决于量子计算机的发展。只有未来所有的经典计算机都被量子打算机代替了,才完全会用这种通讯方式。但问题是,量子盘算机和传统计算机就比方核兵器和通例武器,是不可能完整取代彼此的。将来应该是量子通信跟传统通信一起构建天地一体化通信网络。”

  量子通信事关国家信息和国防安全,这个策略性范围已经成为发达国家优先发展的信息科技和产业高地。

  美国对量子通信的实际和试验研究开始较早,并最先将其列入国度策略。欧盟则着眼于合力构建量子互联网,2015年发布《量子宣言》,盘算启动10亿欧元用于推动量子通信和量子技术的发展。日本也制定了量子信息技术长期发展路线图。

  诚然在寰球量子通信竞赛中,中国起步并非最早,然而在科学家们的不懈努力下,目前中国在量子通信领域已经实现了“弯道超车”。

  潘建伟团队在2007年首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发,2016年又将最安全间隔提高到400公里;2016年中国发射寰球首颗量子科学实验卫星;2017年世界首条量子保密通信干线??“京沪干线”正式开明……潘建伟表示,渴望到2030年左右,能建成全球化的广域量子通信网络,并在量子计算范畴有所作为。

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