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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。

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收者乙。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’。然后,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,并把测量方法告诉乙。乙再通过这种方法测量手中的c,这时的c已经拥有了与a同样的量子信息态。”

张文卓进一步解释:“也就是说,我们并不需要真的传递光子a本身,而是把它的量子态精确传送过去。量子隐形传态利用量子纠缠,接收者乙在拥有纠缠态的光子和发送者甲的测量方法后,可以制造出原物的完美复制品。”

三问:为何保密性高?

量子具有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。

“因为传统通信的密钥都基于非常复杂的数学算法,只要是通过算法加密的,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,这在数学上已经获得了严格的证明。”张文卓说。

这种“很安全”是如何实现的?这就要说到在讲量子密钥分发时提到的量子的另外两个特性——测量的随机性和不可复制。

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水平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,就会发现,每次测量都只会得到其中一个结果: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,一般是可以同时准确测定的。比如飞机来了,雷达就可以把飞机的速度、位置都准确测定。

“但在量子世界,测量会破坏或改变量子的状态。如果我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出现随机的结果,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性。

利用这两个特性,量子通信也就保证了安全。“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觉,而停止该信道的发送。如果窃听者一直在这个信道存在,可以换一个没有发现窃听者的信道重新发送。”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法采取信息复制的方法来获得合法用户的信息,所以,量子通信具有很强的保密性。”

四问:能否取代传统通信?

这是两种不同的通信形式,量子通信是为了让传统的数字通信变得更安全

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。比如量子密钥分发,它本身是为了让传统的数字通信变得更安全,并不能独立存在。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计算机取代了,才完全会用这种通信方式。但问题是,量子计算机和传统计算机就好比核武器和常规武器,是不可能完全取代彼此的。未来应该是量子通信和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,这个战略性领域已经成为发达国家优先发展的信息科技和产业高地。

美国对量子通信的理论和实验研究开始较早,并最先将其列入国家战略。欧盟则着眼于合力构建量子互联网,2015年发布《量子宣言》,计划启动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。

虽然在全球量子通信竞赛中,中国起步并非最早,但是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年又将最安全距离提高到400公里;2016年中国发射全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”正式开通……潘建伟表示,希望到2030年左右,能建成全球化的广域量子通信网络,并在量子计算领域有所作为。(人民日报)


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