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量子通信

量子通信

“量子”的概念
那么什么是“量子”?它和“原子”、“电子”、“中子”这些客观存在的粒子一样也是一种物质实体吗?答案是否定的。“量子”不是一种粒子,而是一种观念或一种概念。“量子”一词来自拉丁语quantum,意为“多少”,代表“相当数量的某事”。在物理学中提到“量子”时,我们实际上指的是微观世界的一种倾向:物质或者说粒子的能量和其他一些性质都倾向于不连续地变化。例如,我们说一个“光量子”,是因为一个光量子的能量是光能量变化的最小单位,光的能量是以光量子的能量为单位一份一份地变化的。其他的粒子情况也是类似的,例如,在没有被电离的原子中,绕核运动的电子的能量是“量子化”的,也就是说电子的能量只能取特定的离散的值。只有这样,原子才能稳定存在,我们才能解释原子辐射的光谱。不仅能量,对于原子中的电子,角动量也不再是连续变化的。量子物理学告诉我们,电子绕原子核运动时也只能处在一些特定的运动模式上,在这些模式上,电子的角动量分别具有特定的数值,介于这些模式之间的运动方式是极不稳定的。即使电子暂时以其他的方式绕核运动,很快就必须回到特定运动模式上来。实际上在量子物理中,所有的物理量的值,都可能必须不连续地、离散地变化。这样的观点和经典物理学的观点是截然不同的,在经典物理学里所有的物理量都是连续变化的。
上世纪初,物理学家普朗克最早猜测到微观粒子的能量可能是不连续的。但要坚持这个观点,就意味着背叛经典物理学。保守的普朗克最终放弃了这个观点,对于他个人这是一件极为遗憾的事。然而,大量的实验事实迫使物理学界迅速地接受这样的观点,将其发展起来,并结合其他一些公设如“量子态叠加原理”、“概率性测量原理”等,建立了如今的量子物理科学。

经典通信和量子通信

“绝对安全”的通信是千百年来人类的梦想之一,而在今日这个信息技术飞速进步的时代,“绝对安全”的通信却几乎是海市蜃楼。由于经典信息容易被复制,因此在通信,也就是说在传递信息的过程中无法保证信息不被复制窃取。这样,保障经典通信安全唯一的方法就是对信息加密,通过加密使窃取者即使复制了加密后的密文也无法读取原文。人们已经创造出了各种各样的经典密码加密算法。它们利用计算的复杂性使窃听者在有限的时间内无法完成破译所需的大量计算(窃听者没有解密密钥),从而保证通信安全。但是,这种安全性在理论上缺乏证明,因此,经典密码加密算法不属于“绝对安全”的通信系统。实际应用中,它又存在着加密和解密效率低下等诸多问题。随着计算科学和技术的发展,人类所拥有的计算能力的提升速度和潜力已远远超过了人们最初的想象,经典密码加密技术对于通信安全的保障能力也不像人们预先估计的那么可靠了。尤其是上世纪70年代以来,量子计算概念的提出和它的初步实验演示,更如同经典密码安全性上方高悬的“达摩克利斯之剑”,随时威胁着经典通信系统的安全。
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。根据量子物理的基本原则——“测不准原理”,未知“量子态”不能被精确地复制,任何探测它的企图都会改变它的状态。那么,被某人拥有的“量子态”,就不能被任何其他人偷窥,因为可以通过检测“量子态”是否改变,从而知道是否有人窥测过这个“量子态”。当我们利用“量子态”来记载我们的经典信息时,这种奇妙的性质就可以保证无人再能窥探那些“不能说的秘密”。通向“绝对安全通信”这个千百年来人类梦想大道的入口,在量子物理的指引下,又重新进入公众的视野之中。

什么是量子通信

广义地说,量子通信是指把量子态从一个地方传送到另一个地方,它的内容包含量子隐形传态,量子纠缠交换和量子密钥分配。狭义地说,我们谈到量子通信时,实际上只是指量子密钥分配或者基于量子密钥分配的安全保密通信。

通俗地说,量子密钥分配是利用“脆弱”的量子态荷载信息,从而保护秘密信息不被窃听。由此可见一斑,量子通信其实是一种非常精巧的通信“艺术”;它工作在单光子的能量水平上,需要分辨光子多种自由度的状态,还需要尽力抵御环境带来的损耗和干扰;而经典光通信则基本上只需要分辨由许许多多光子组成的光信号的能量大小,并且适当地提高信号能量对抗环境噪声就可以了。像量子通信这样纤巧的艺术,当然不止可以提高通信安全性。现在人们已认识到,量子通信(不仅仅指量子密钥分配)还可以降低通信的能量损耗,提高信道传输容量,扩充网络的地址资源。这些优点每一项对于未来的通信都是十分重要的,因此欧洲和日本都已将量子通信纳入新一代通信网络的开发进程之中。

量子态隐形传输一直是学术界和公众的关注焦点。其基本思想是:将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息;而量子通道是指可以保持量子态的量子特性的传输通道。(比如说,保偏光纤对于光子的量子偏振态就是一种量子通道。但在隐形传态中,量子通道的角色是由双方共享的量子纠缠态担任的。)接收者在获得这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态,而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知,而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。

当隐形传输的量子态是一个纠缠态时,隐形传输就变成了量子纠缠交换。利用纠缠交换,可以将两个原本毫无联系的粒子纠缠起来,在它们之间建立量子关联。关于纠缠和量子关联这些概念,我们将在后面介绍。

隐形传态和纠缠交换可以把物体的量子信息在瞬间精确无误地传送到遥远的地方,这看起来很像科幻电影中的瞬时传送,或者电子游戏中的传送门之类的神奇功能。当然,在我们能够把生命完全分解成量子信息和经典信息,并建立足够多的纠缠资源之前,传送门还只是个美好的幻想。不过,隐形传态和纠缠交换并不仅仅是一个用来憧憬美好幻想的奇妙现象,利用它们可以实现超远距离的量子密钥分配,为全球范围的通信加上一把安全的“量子锁”。

现在,实用的量子通信技术都基于量子密钥分配(Quantum Key Distribution),也就是说仅使用量子态产生经典密钥,需要传递的经典信息则根据这个密钥由经典的私钥加密系统加密。量子通信的安全性保障了密钥的安全性,从而保证加密后的信息是安全的。不用量子通信的方式传递全部经典信息的原因是:在目前和可以预见的未来,这样做的成本都太昂贵,并且可能反而效率低下、不够安全。因此,人们决定只利用量子通信来产生密钥,以便提高效率。量子密钥分配还有一个好处——不需要大面积地改造现有的通信设备和线路。
量子密钥分配突破了传统加密方法的束缚,以量子状态作为密钥具有不可复制性,具有理论上的“无条件安全性”。任何截获或测试量子密钥的操作,都会改变量子状态。这样,截获者得到的只是无意义的信息,而信息的合法接收者也可以从量子态的改变,知道密钥曾被截取过。最重要的是,与经典的公钥密码体系不同,即使实用的量子计算机出现甚至得到普及,量子密钥分配仍是安全的。

无论你理解还是不理解量子通信的原理和技术,不远的未来里,在你尚未意识到时,你和他人的交互可能早已依赖于量子通信技术的支持;正如在今天,普通用户也完全不曾并且不需了解web网页、email系统终端等各种网络应用系统它们直观简单界面之后隐藏的万维互联网——那个已成长得如此巨大、复杂而不可思议的光与电的混沌。

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