什么叫做量子通信?

头条推送科普中国头条推送项目头条推送2016-08-16 11:10
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量子是什么?

所谓量子,是构成物质的最基本单元,是能量,动量等物理量最小单位,不可分割。像电子、光子等构成物质的基本粒子,统称为量子。

除了不可分割性,量子还具有不可克隆(复制)性。因为克隆一个东西首先要测量这个东西的状态,但是量子通常处于极其脆弱的“叠加态”,一旦被测量就会马上改变状态,不再是原来那个量子了。

量子的不可克隆性是量子通信安全性的根本来源。因为窃听信息等于先复制了这个信息,量子的不可克隆性保证了量子信息本身(或者由它生成的量子密码)不会被复制,因此断绝了一切窃听的可能性。

什么叫做量子通信?

量子纠缠

量子纠缠是两个量子形成的叠加态。一对具有量子纠缠态的粒子,即使相隔极远,当其中一个状态改变时,另一个状态也会即刻发生相应改变。

量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距相互作用”。量子纠缠会违反著名的“贝尔不等式”,因此检验贝尔不等式成为验证量子力学是否正确的主要标志之一。

什么叫做量子通信?

什么叫做量子通信?

量子通信主要有两种方式,一种是利用量子的不可克隆性质生成量子密码,他是二进制形式的,可以给经典的二进制信息加密,这种通信方式称为“量子密钥分发”。我们下一节会单独介绍。

第二种是利用量子纠缠用来传输量子信息的最基本单位——量子比特。两个处于纠缠态的粒子A和B,不论它们分开多远,我们把其中一个粒子(A)和携带想要传输的量子比特的粒子(C)一起测量一下,C的量子比特马上消失,但是B就马上携带上了C之前携带的量子比特,我们把这个过程叫做“量子隐形传态”。

根据量子力学“不确定性原理”,处于纠缠态的两个粒子,在被观测前,其状态是不确定的,如果对其中一粒子进行观测,在确定其状态的同时(比如为上旋),另一粒子的状态瞬间也会被确定(下旋)。

什么叫做量子通信?

量子密钥分发

“棱镜门”一出,从各国元首到普通民众深感危机,隐私安全与信息安全再次被广泛讨论。基于电子方式的通信,基于数学方法的密码,已经无法保证不被破解。

量子密钥分发可为我们现在的通信建立牢不可破的量子密码,从根本上保障我们的通信安全。量子密钥分发以一个个单独的光子作为载体,通过收发双方通过随机测量这些光子,选取共同测量方式的那些测量结果,就会形成一组量子密钥。如果中间有人窃听,收发双方的测量错误会瞬间上升,马上就会察觉有窃听的存在。所以一组成功生成的量子密钥一定是排除了一切窃听的绝对安全的密钥,用它加密的信息也是不可破译的。

什么叫做量子通信?

全球首颗量子科学实验卫星

什么叫做量子通信?

由中国科学技术大学和中科院上海技物所共同研制的这颗卫星质量约640千克,将由火箭发射至高度为500千米的预定轨道。可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。该卫星将实现世界首个卫星和地面之间的量子密钥分发,量子纠缠分发和量子隐形传态。

通过这颗卫星中国将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,并结合地面已有的光纤量子通信网络,初步构建一个广域量子通信体系。

文字 | 张文卓 中国科学技术大学上海研究院(中科院量子信息卓越创新中心),副研究员

编辑 | 张蔚涵

制图 | 张天然

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