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【转载】什么是量子、量子叠加和量子纠缠以及如何实现量子通信?  

2017-12-01 19:48:25|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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什么是量子、量子叠加和量子纠缠以及如何实现量子通信? - 真心阳光 - 《真心阳光》博客

 一问:什么是量子?
  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。”

  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;在2017年初,量子卫星“墨子号”施展了一项关于量子纠缠的绝活:在1200千米的距离上,完成了量子纠缠光子对的分发实验。量子卫星的另一项绝活叫做“量子传送”(它的学名叫做量子隐形传态)。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。

       量子传送必须通过打电话、发邮件等经典信息通道传输测量的结果,才能真正完成传送。原来,在X和A发生相互作用的一刹那,X和A这两个光子也会随机进入一种新的状态,这个状态也是随机地四选一,跟B光子的四选一完全对应。为了完成量子传送,在X和A附近的科学家必须检查这两个光子到底进入了哪个状态,然后把这个状态结果通过打电话、发邮件等不可超过光速的通信方式,告诉远在B粒子处的另一个科学家。另一个科学家了解了X和A的状态信息后,就能知道B粒子身上接收到X的特征发生了哪些变化,就可以有针对性地对B粒子进行操作,从而将X最原始的量子状态还原出来,使得X的状态成功传送到B粒子的身上。在整个传送的过程中,两边的科学家可以自始至终都不知道原先的粒子X处于什么样的量子状态。由于漫画的创作需要,我们把粒子X的状态画成了“白鹤亮翅”。但实际上,它可以是任何状态,只要量子力学允许就可以,而且科学家可以完全不知道它处于哪个状态。不管X处于什么状态,只要按照上面说过的步骤,一步一步操作,科学家就可以把它传送到遥远的粒子B身上。总之,量子传送的本质可以简单地理解为,先用纠缠光子对中的一个光子A,跟待传送的X发生相互作用,然后读取相互作用结果中蕴含的信息;再将这个信息传输给B处的科学家,让他有针对性地操纵光子B,使得光子B的状态完全还原成光子X原先的状态。

        在量子传送的过程中,物理学家自始至终都不知道要传送的光子X处于什么样的量子状态。它的奇妙之处就在这里:虽然你不知道你要传送的量子状态是什么,但你仍然可以通过下面几个步骤的操作,把它传送到一千公里之外的地方。因此,量子传送(确切地说,是量子隐形传态)被科学家看作是一种量子通信的实现方式。

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