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量子隐形:一个抵达安全通信的终极目标

时间:2019/10/29

量子隐形:一个抵达安全通信的终极目标

? ? 多年以来,人类在通信技术上一直面临着两个问题:安全性与时效性。可以说,如何更快,更安全的传递信息是通信技术的“终极目标”,但受制于工业技术等原因,始终未能实现。知道二十世纪初,一种全新的通信方式进入了人们的视野——量子通信。
? ? 不同于传统的通信方式,量子通信打破了原有的技术壁垒,兼顾高时效的同时绝对安全。属于近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信系统的问世,重新点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。当我们利用“量子态”来记载信息时,这种奇妙特性就可以保证无人再能窥探那些“不能说的秘密”。“绝对安全通信”人类梦想之路的入口,在量子物理的指引下,又重新显露在人类的视野之中。
? ? 那么,量子通信是如何实现人类千百年来梦寐以求的通信方式的呢?

量子隐形:让量子通信成为可能

? ? 1900年,德国物理学家马克斯·普朗克在论文中首次提到了普朗克辐射定律,量子力学自此诞生,开启了物理学的新篇章,马克斯·普朗克也因此荣获了1918年的诺贝尔物理奖。
? ? 但是,量子力学扑朔迷离,以至于在引入它以后的20年中几乎没有什么实质性的进展。直到1993年,六位不同国籍的科学家首次提出了“利用经典与量子相结合“的方法,以此来实现”量子隐形传送“。
? ? 量子隐形的概念较为晦涩,简单来讲就是:将某一个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍停留在原处。
? ? 在此方案中,事物的状态分为了两部分——经典信息和量子信息,分别经过经典通道和量子通道传递给接收者。其中,经典信息通过发送者对原物质进行某项测量而获得,量子信息则是发送者在测量过程中中没有提取到的其他信息;接收者在获得了这两类信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品!因为该过程中传送的只是原事物的量子态,不是原物本身。甚至可以理解为:发送者对要发送的量子态毫无所知,而接收者是将别的粒子处于原物质的量子态上。而量子通信之所以说绝对安全,得益于纠缠态的非定域性。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识和揭示自然界的神秘规律具有重要意义,同时,通过使用量子态作为信息载体,以量子态的形式在极短的时间内完成海量信息的传输,从原则上保证不可破译的量子保密通信得以实现。
? ? 量子隐形的概念一经提出,立刻引得了世人的广泛关注。1997年,中国物理学家潘建伟和他国科学家等人合作,实现了世界上首次未知量子态的远程传输——成功地把一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。
? ? 2012年,潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基。?诹孔油ㄐ帕煊蚧?铝伺??夭实囊槐。各国媒体争相报道,国际权威学术期刊《自然》重点介绍了这一成果,称其“有望成为远距离量子通信的里程碑”、“通向全球化量子网络”,欧洲物理学会网站、美国《科学新闻》杂志等也进行了专题报道。
? ? 时至今日,量子通信这门课程已逐步从理论走向实验,并向实用化发展,并且衍生除了诸如量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等学科。成为了国际上量子物理和信息科学的研究热点。

神奇的量子通信

? ? 在量子力学中,有一个颇为奇妙的现象——量子纠缠:只要两个粒子处于纠缠态,无论他们相距多远,只要一个发生变化,另外一个也会瞬间发生变化,这是目前已知宇宙最快速度光速都无法达到的。人们利用这一特点,事先在通信双方放置一对处于纠缠态的粒子,将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量,接收方的粒子瞬时发生坍塌,变化为某种特定状态,这种状态与发送方的粒子坍塌后的状态相对应,这时再将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方,接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行逆转变换,便能得到与发送方完全相同的未知量子态。
? ? 无论是安全性还是高效性,经典通信都无法与之相提并论。首先,因为在量子通信中,生成的密钥是随机的,即便黑客窃取了密钥,也无法得知其真正的含义;另外也是量子通信最为关键的一点——高效率。因为被传输的未知量子态在测量前处于一种纠缠态,意味着多种状态共存,一个量子态既可以表示成0,也可以表示成1。假设有7个这样的量子态,那么同时存在着128个状态,即128个数字:0—127。光量子通信的进行一次这样的传输,就相当于经典通信方式的128次。而我们在日常生活中使用的带宽远远高于8位,所以量子通信在实际运用的效率是极为惊人的。
? ? 除了上述的优势外,量子通信还具有很强的抗干扰能力,隐蔽性优越,非常适合某些敏感部门设立通信站点。

量子通信的局限性

? ? 没有一样事情是完美无缺的,量子通信技术亦是如此。由于量子通信至今还没有一个相对完善的体系,种种缺点也逐渐暴露出来。
? ? 1.纠缠态的纯度
? ? 若是想达到超远距离的量子隐形传输,就必须保证通信的两地同时具有最大量子纠缠态。但是在实际情况不比实验室,存在着类似噪声,电磁等诸多干扰因素,纠缠态的品质会受到强烈的影响。如何提高量子纠缠态的质量,将会是一个经久不衰的研究课题。
? ? 2.中继节点的密钥存储和转发存在漏洞
? ? 尽管我们之前提到,量子通信绝对安全。但并不意味这整个量子网络绝对安全。因为一个网络中可能从在多条量子链路。这其中有许多中继节点,鉴于量子密钥的特殊性,目前很难有一种方法来确保密钥的完整性,而且在转发上也存在一些令人头疼的问题,比如说纠缠态对信道长度抖动过于敏感、误码率随信道长度增长过快等,在今天依旧是个难关。
? ? 3.安全性和业务运作的冲突
? ? 著名的密码学家,信息论创始人香农曾说过:“密钥真随机且只使用一次"。虽然在量子通信中密钥具有不确定性,但是,假设窃听者一直处于监听状态,为了保证整个通信过程,这个过程会被终止。这也是目前业内关于量子通信争议的尤为激烈的一个环节——在业务和安全之间,二选其一。在没有找到切实可行的方案之前,这个问题将会一直存在下去。
? ? 千百年以来,通信的绝对安全是人类一直的夙愿。从摩斯电码到电报、传真,从移动电话到网络通信,在今日这个信息技术飞速进步的时代,量子通信的出现似乎让人们看到了可能,这也标志着人类的通信技术迈入了一个全新的时代。

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