四問(wèn)量子通信(關(guān)注·走近“顛覆性技術(shù)”②)
打個(gè)電話，會(huì)不會(huì)被竊聽(tīng)？通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送一份保密文件，途中被他人竊取咋辦……現(xiàn)代社會(huì)，信息安全面臨的問(wèn)題越來(lái)越多。
有沒(méi)有一種不可破譯的保密方式，能讓傳送的信息絕對(duì)安全可靠？近些年來(lái)，量子通信技術(shù)的飛躍發(fā)展正讓夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。
一問(wèn)：什么是量子？
量子是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱，是能量的最基本攜帶者
量子是物理世界里最小的、不可分割的基本單元，是能量的最基本攜帶者。它是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱?？梢哉f(shuō)，整個(gè)世界都是由量子組成的。比如，日常生活中的光，就由大量光量子組成。
量子有不同于宏觀物理世界的奇妙現(xiàn)象，其中最為著名的就是量子疊加和量子糾纏。
“量子世界跟宏觀世界最大的區(qū)別，就是量子有多個(gè)可能狀態(tài)的疊加態(tài)。”中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院副研究員張文卓說(shuō)，“這種現(xiàn)象在宏觀世界里是存在不了也無(wú)法維持的。在宏觀的經(jīng)典世界里，1就是1，2就是2。而在微觀的量子世界中，一個(gè)狀態(tài)可以存在于1和2之間，它既不是1，也不是2，但它既是1，又是2。”
“打個(gè)比方吧，這就好比孫悟空的分身術(shù)。一個(gè)孫悟空可以同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方，孫悟空的各個(gè)分身就像是他的疊加態(tài)。”中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉解釋道，“在日常生活中，一個(gè)人不可能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方。但在量子世界里，作為一個(gè)微觀的客體，它能夠同時(shí)出現(xiàn)在許多地方。”
而所謂量子糾纏，也是量子疊加的一種表現(xiàn)，是指兩個(gè)處在糾纏態(tài)的量子一旦分開(kāi)，不論分開(kāi)多遠(yuǎn)，如果對(duì)其中的一個(gè)粒子測(cè)量，另一個(gè)粒子就會(huì)立即發(fā)生變化，且是不需要時(shí)間的變化。
“這兩個(gè)糾纏在一起的量子就好比是一對(duì)有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩人距離多遠(yuǎn)，千公里量級(jí)或者更遠(yuǎn)，只要當(dāng)其中一個(gè)人的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)人的狀態(tài)也會(huì)跟著發(fā)生一樣的變化。愛(ài)因斯坦稱之為‘幽靈般的超距作用’。”潘建偉說(shuō)，“量子糾纏所體現(xiàn)的這種非定域性是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一。”
二問(wèn)：什么是量子通信？
量子通信是利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控的一種通信形式，可以有效解決信息安全問(wèn)題
近年來(lái)，隨著量子的各種奇妙特性被科學(xué)家不斷認(rèn)識(shí)，實(shí)用的新技術(shù)也被逐漸開(kāi)發(fā)出來(lái)，量子通信就是其中之一。
量子通信是量子信息學(xué)的一個(gè)重要分支，它利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控，在兩個(gè)地點(diǎn)之間進(jìn)行信息交互，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務(wù)。量子通信是迄今唯一被嚴(yán)格證明無(wú)條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問(wèn)題。
張文卓說(shuō)：“通常來(lái)講，量子通信分為兩種，一種是量子密鑰分發(fā)；另外一種是量子隱形傳態(tài)。前者是利用量子的不可復(fù)制性以及測(cè)量的隨機(jī)性來(lái)生成量子密碼，給傳統(tǒng)的數(shù)字通信加密；而后者則是利用量子糾纏直接傳送量子比特。量子隱形傳態(tài)是為了給未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)之間的通信使用。”
那么，量子密鑰分發(fā)是如何生成量子密碼來(lái)給傳統(tǒng)的通信加密的？
“假如，信息發(fā)送者甲想和信息接收者乙共享量子密碼。首先，發(fā)送者甲需要把一個(gè)個(gè)獨(dú)立的單光子發(fā)送給乙，一邊發(fā)一邊隨機(jī)地選擇單光子的狀態(tài)，并把自己的隨機(jī)選擇方式記錄下來(lái)。同時(shí)乙也需要把收到的光子隨機(jī)地測(cè)量一遍，然后把每個(gè)測(cè)量方式通過(guò)經(jīng)典通信方式告訴甲。”張文卓說(shuō)，“接下來(lái)，甲把乙的測(cè)量方式和自己的隨機(jī)選擇方式做對(duì)比，保留測(cè)量方式相同的光子，去掉不同的。留下的這些光子的測(cè)量結(jié)果，就構(gòu)成了量子密碼。然后，乙就可以依據(jù)這些密碼打開(kāi)保密信息。”
量子隱形傳態(tài)又是如何利用量子糾纏直接傳送量子信息的？
同樣是信息發(fā)送者甲和接收者乙。這次不是共享密碼了，而是要發(fā)送包含量子信息的光子a。
張文卓說(shuō)：“首先得制備出一對(duì)處在量子糾纏態(tài)的光子b和c，把b交到發(fā)送者甲手里，把c給接收者乙‘拿著’。然后，甲通過(guò)自己手中的光子b和這個(gè)想要發(fā)送的光子a一起做測(cè)量，并把測(cè)量方法告訴乙。乙再通過(guò)這種方法測(cè)量手中的c，這時(shí)的c已經(jīng)擁有了與a同樣的量子信息態(tài)。”
張文卓進(jìn)一步解釋：“也就是說(shuō)，我們并不需要真的傳遞光子a本身，而是把它的量子態(tài)精確傳送過(guò)去。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏，接收者乙在擁有糾纏態(tài)的光子和發(fā)送者甲的測(cè)量方法后，可以制造出原物的完美復(fù)制品。”
