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四问量子通信:能否取代传统通信?

导读: 近年来,随着量子的各种奇妙特性被科学家不断认识,实用的新技术也被逐渐开发出来,量子通信就是其中之一。

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

有没有一种不可破译的保密方式,能让传送的信息绝对安全可靠?近些年来,量子通信技术的飞跃发展正让梦想成为现实。

四问量子通信:迄今唯一被严格证明的无条件安全

制图:张芳曼

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、不可分割的基本单元,是能量的最基本携带者。它是光子、质子、中子、电子、介子等基本粒子的统称。可以说,整个世界都是由量子组成的。比如,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区别,就是量子有多个可能状态的叠加态。”中科院量子信息与量子科技创新研究院、中国科学技术大学上海研究院副研究员张文卓说,“这种现象在宏观世界里是存在不了也无法维持的。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,一个状态可以存在于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,这就好比孙悟空的分身术。一个孙悟空可以同时出现在多个地方,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授潘建伟解释道,“在日常生活中,一个人不可能同时出现在两个地方。但在量子世界里,作为一个微观的客体,它能够同时出现在许多地方。”

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,不论分开多远,如果对其中的一个粒子测量,另一个粒子就会立即发生变化,且是不需要时间的变化。

“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,只要当其中一个人的状态发生变化时,另一个人的状态也会跟着发生一样的变化。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现象之一。”

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不断认识,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,可以完成经典通信所不能完成的任务。量子通信是迄今唯一被严格证明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。前者是利用量子的不可复制性以及测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送量子比特。量子隐形传态是为了给未来的量子计算机之间的通信使用。”

那么,量子密钥分发是如何生成量子密码来给传统的通信加密的?

“假如,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立的单光子发送给乙,一边发一边随机地选择单光子的状态,并把自己的随机选择方式记录下来。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诉甲。”张文卓说,“接下来,甲把乙的测量方式和自己的随机选择方式做对比,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。然后,乙就可以依据这些密码打开保密信息。”

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