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科技資訊

量子是什么?為什么可以用來給通信加密?

時間:2020-10-21 09:40:38   作者:Jack.L   來源:   閱讀:114   評論:0
量子是什么東西?這個問法的出發點可能就錯了。

量子力學的深奧是大家所公認的。我們經常調侃有些影視作品在科幻問題上“遇事不決,量子力學”,連“不自量力”這個舊詞也被人新解為“不要試圖自學量子力學”。

量子力學確實很難以我們日常生活的經驗和觀察來理解。但這不妨礙我們抽象地領會關于量子力學一些最核心的內涵,形成最基礎的“量子化思維”。

為什么很難用日常思維來理解?1900年,當人們歡慶經典物理學大廈已經基本落成,美麗而晴朗的天空中只剩下兩朵“烏云”。后來,這兩朵“烏云”一朵演化成了描述宇宙大尺度結構的廣義相對論,一朵演化成了描述宇宙微觀世界的量子力學。在極大和極小的尺度里,我們熟悉的經典物理學都不適用,呈現出許多陌生的奇景。

回到開頭那個問題。正是因為量子力學是描述微觀世界的理論,很多人會誤以為量子像原子、質子、電子、光子一樣,是特指某種微小的粒子。

量子是什么東西?其實,量子不是某個特定的東西,一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,并把最小單位稱為量子。

同樣是在1900年,普朗克為解決其中一朵“烏云”提出了量子這個假設。意為能量存在一個最小的單位,是“一份份”存在的。有一份能量,有兩份能量,但沒有半份能量。

1900年,普朗克提出了量子概念。

也就是說,量子像是“1”一樣的單位。這個物理概念本質上是想描述一種離散性,一種不連續性。量子化的世界就像是還沒有學到分數概念的小學一年級學生,只知道1、2、3、4地跳躍。

一個光子、一個電子、一個原子,當然也是一份一份的,沒有半個光子、半個電子、半個原子的說法。因此,它們也具有量子化特性,可以視為量子。卻不能說,量子就是某種粒子。

奇妙的微觀世界

當我們將目光聚焦到這么小的尺度上,就會發現許多與宏觀世界截然不同的奇妙現象。

很多人都聽說過“薛定諤的貓”。這個比喻就是想把微觀粒子的量子疊加態放大為常人易于理解的宏觀生死狀態。一個光子可以同時處于兩個狀態的疊加,而一旦對該光子的狀態進行測量,它就會隨機坍縮到其中一種狀態。

而兩個光子之間建立起更為奇妙的量子糾纏。處于糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯,其中一個量子狀態發生改變(比如人們對其進行測量),另一個的狀態會瞬時發生相應改變,仿佛“心靈感應”。

正因為量子力學可以用來精準地描述這些微觀世界的規律,我們研究半導體、激光、新材料等等顯然必須要用到這個工具。科學家們也可以在“螺螄殼里做道場”,利用一些只有在微觀世界才會出現的奇妙現象,操縱微觀粒子們實現一些用經典物理學無法做到的任務。

中科院院士潘建偉表示,量子科技的具體應用包括量子通信、量子計算和量子精密測量三個領域。在量子通信領域,我國已處于國際領先地位。一方面要加快發展下一代廣域量子通信網絡技術體系,進一步擴大領先優勢;另一方面需要和用戶部門密切配合,特別是在安全性測評的基礎上推進標準體系的建立,進而推廣在國防、政務、金融等領域的應用,將研究的優勢轉化為產業的優勢。

在量子計算領域,我國整體上與發達國家處于同一水平線。在量子精密測量領域,我國整體上相比發達國家還存在一定的差距,但發展迅速。

那么,下面我們就來重點講一講近年來國內發展很快、熱度很高的量子通信。

量子密碼

許多人會把量子糾纏誤當做量子通信。但其實,現階段的量子通信通常是指“量子密鑰分發”(QKD)技術,沒有用到量子糾纏技術,更談不上“瞬間傳輸”。它的核心不在于通信,而在于生成一串密鑰。

1984年,當時任職于IBM研究中心的本內特(CharlesH。Bennett)和當時就職于蒙特利爾大學的布拉薩爾(GillesBrassard)提出首個量子加密協議。基于兩位作者的姓氏首字母和發表年份,該協定也被人稱為“bb84”協議。

“bb84”協議構想了一種基于量子力學的密鑰傳輸方法。我們假設有一個信息發送者Alice,她想發送一串由1和0組成的二進制密鑰給信息接受者Bob,同時,還存在一位潛在的竊密者Eve。

在傳統通信渠道中,竊密者Eve可以截獲Alice傳來的密鑰,并復制給Bob。這樣,Bob并不會察覺到密鑰已經被人竊聽了。

如果將隨機產生的密碼編碼在光子的量子態上,根據前文所述的疊加態特定,一個未知的量子態是不能“亂看”的,一旦被測量,就會隨機坍縮成其中一種狀態,等于被破壞了。只有使用雙方約定的“打開方式”,才能得到正確的密碼信息。因此,竊密者Eve無法復制出一模一樣的密鑰,一旦他竊取并試圖自行讀取量子密鑰,一定會被發現。

量子密鑰分發協議量子密鑰分發協議

潘建偉帶領的中國科學技術大學“量子通信夢之隊”基于“bb84”協議,在世界范圍內率先實現了量子保密通信的應用。

從最早的安徽蕪湖及合肥城域網,到世界首條量子保密通信干線“京滬干線”,在過去十年里,若以鐵路公路等交通基礎設施類比,國內量子保密通信網絡經歷了從“地鐵網絡”到“高鐵網絡”的發展。

長三角、山東提出了覆蓋多個城市的量子保密通信網絡規劃。海南自貿港也計劃建成天地一體量子通信環島網絡及量子通信國際業務總部。

相比起來,歐美國家的量子保密通信網絡還在小規模的示范階段。

量子保密網絡的未來

雖然量子保密通信網絡已經在國內鋪開,但相關技術仍有很大的提高空間。一個核心挑戰就是突破距離限制。

要知道,量子力學原理決定了量子不可被克隆,這雖保障了量子密鑰分發(QKD)技術的安全性,卻也令加載著密鑰的光子無法像電信號一樣被增強。經過長距離光纖傳輸后,光子必然會產生損耗。

全長2032公里的“京滬干線”沿途了設置32個站點,采用的是“可信中繼”方案,即通過人工值守、網絡隔離等手段保障站點內的信息安全。

這種“可信中繼”用經典技術手段防止了鏈路節點入侵,但相對于量子通信可理論證明的安全性,中繼站還是“量子魔法”的斷點,不是“純量子鏈路”。

在最初的量子密鑰分發協議BB84問世之后,牛津大學的ArturEkert曾在1991年提出了新協議E91,隨后在1992年又被Brassard等人加以改進形成BBM92協議。這種新版本的量子密鑰分發無需中繼,神奇的量子糾纏終于發揮用途。

今年6月,“墨子號”衛星正是宣布用這種方式在距離1120公里的青海德令哈和新疆南山間建立起量子密鑰。“墨子號”發射出一對對糾纏起來的光子,而德令哈和南山各有專門的望遠鏡對糾纏光子進行接收。只要使用相同的“打開方式”,如果一方讀出信息為“0”,另一方一定會讀出信息為“1”,那么,其中一方對“0”、“1”進行互換,即可共享一串量子密鑰。而一旦雙方溝通部分密鑰,發現差錯很多,就是竊聽者留下的痕跡。這一過程中,衛星只是負責分發糾纏,本身并不參與量子密鑰的產生,因此即使衛星被他方控制,只要地面的雙方能夠驗證糾纏的存在,就能夠保證密鑰的安全。

只不過,此次科學實驗只是原理性驗證,每個軌道只能傳送幾十個密鑰,尚無實用價值。

另一方面,用量子中繼器替代可信中繼,將是下一階段的研究重點。假設信息的接收方和發送方各有一個光子,他們再各自派出一個與之糾纏的光子作為“中介”,讓兩個“中介”光子在中繼站點糾纏起來,那么兩者手中留下的光子也會形成糾纏關系。這過程中,還需要解決量子儲存、量子糾纏操作等復雜問題,學界普遍認為真正應用為時尚早。

因此,在歐美近年發布的量子通信網絡相關規劃中,量子中繼器和天基糾纏都被視為研發重點。

美國白宮國家量子協調辦公室今年公開的《美國量子網絡戰略構想》提出,在未來5年內將演示從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道和跨洲際距離的天基糾纏分發的量子網絡基礎科學和關鍵技術。未來20年遠景則是量子互聯網鏈路利用網絡化量子設備實現經典技術無法實現的新功能,同時促進人類對糾纏作用的理解。

總投資10億歐元的歐洲量子旗艦計劃則在3年愿景中提到,利用QKD協議和可信節點網絡開發天基量子密碼;演示一個可作為未來量子中繼器構成模塊的初級鏈路。中長期目標(6~10年愿景)包括:利用量子中繼器演示800公里以上距離的量子通信;演示至少20個量子比特的量子網絡節點;演示利用衛星鏈路產生糾纏等。

可以說,雖然中國在量子保密通信上先行了一步,但若要在未來保持優勢,還需廣義上的量子信息技術的全面進步。

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