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始于“糾纏” 終于安全 量子通信讓“竊聽風云”成歷史

發布日期: 2021-02-19 信息來源:欧宝体育

   量子力(li)學的建(jian)立(li)帶(dai)來了第(di)一(yi)次量子革(ge)命,催生了以現(xian)代(dai)信(xin)息技術為(wei)代(dai)表的第(di)三次工業革(ge)命,從(cong)根本上改變了人類的生活方(fang)式和社會面貌。

  隨(sui)著人類對(dui)量(liang)子(zi)(zi)力學的(de)認識、理(li)解和研究(jiu)不斷深入,以(yi)微觀粒子(zi)(zi)系統為操控對(dui)象(xiang),借助(zhu)其獨特(te)物理(li)現象(xiang)進行(xing)信息獲(huo)取(qu)、處理(li)和傳輸的(de)量(liang)子(zi)(zi)信息技術應(ying)運而(er)生,并有望推動第二(er)次量(liang)子(zi)(zi)革命,對(dui)未來(lai)社會(hui)產生本質的(de)影響。

  量子(zi)(zi)信息技術主要包(bao)括量子(zi)(zi)計算、量子(zi)(zi)通信和量子(zi)(zi)測量三大領域,其中,量子(zi)(zi)通信已經成為信息通信技術演進和產業升(sheng)級的關注焦點之一。

  糾纏特性讓一對量子“心靈相通”

  一對糾(jiu)纏量子即使相距遙遠距離,其中一個(ge)粒子的行為也會瞬間(jian)影響(xiang)另一個(ge)的狀態,這(zhe)種空間(jian)影響(xiang)速(su)度可超越光速(su),打破(po)了愛因斯坦提出(chu)的定域(yu)性原理。

  量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)通信利(li)用(yong)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)疊加(jia)(jia)態或量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)糾纏效應等(deng)進行信息或密鑰(yao)傳輸,基于(yu)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)力學原理保證傳輸安全(quan)性,主要分量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)隱形傳態和量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)密鑰(yao)分發兩(liang)類。這個過程(cheng)中,量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)的疊加(jia)(jia)態特性發揮了重要作用(yong),甚至量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)糾纏也是多粒子(zi)(zi)(zi)的一種疊加(jia)(jia)態。

  量子(zi)糾纏指的(de)是粒(li)(li)子(zi)在由兩(liang)個或兩(liang)個以上粒(li)(li)子(zi)組成系統中相(xiang)互影響的(de)現象,即(ji)使相(xiang)距遙遠,一(yi)(yi)個粒(li)(li)子(zi)的(de)行為也會(hui)影響另一(yi)(yi)個的(de)狀(zhuang)態(tai)(tai)。當其(qi)中一(yi)(yi)顆被操作(例(li)如量子(zi)測量)而狀(zhuang)態(tai)(tai)發(fa)生變化,另一(yi)(yi)顆也會(hui)即(ji)刻(ke)發(fa)生相(xiang)應(ying)的(de)狀(zhuang)態(tai)(tai)變化。

  這(zhe)種跨(kua)越空間(jian)的(de)、瞬間(jian)影響(xiang)雙方(fang)的(de)量子(zi)(zi)糾纏,曾(ceng)經被稱為“鬼魅似(si)的(de)超距作(zuo)用(yong)”,愛因(yin)斯坦曾(ceng)據此來質疑量子(zi)(zi)力(li)學的(de)完備性,因(yin)為這(zhe)個超距作(zuo)用(yong)違反了(le)他(ta)提出的(de)定域性原理,即(ji)任何空間(jian)上相互影響(xiang)的(de)速度都不能(neng)超過光速。

  物理(li)學家玻姆在(zai)愛因斯(si)坦(tan)的(de)(de)定域性基(ji)礎(chu)上,提(ti)出(chu)了隱(yin)變(bian)量(liang)(liang)理(li)論(lun)來(lai)解釋這種超距相互(hu)作(zuo)用(yong),他認為微觀(guan)粒(li)子沒有(you)客觀(guan)實在(zai)性,只有(you)當人們(men)(men)測量(liang)(liang)時它們(men)(men)才(cai)具有(you)確定的(de)(de)性質(zhi)。物理(li)學家貝爾(er)通過實驗論(lun)證了量(liang)(liang)子非定域性的(de)(de)存在(zai),向世(shi)人證明了量(liang)(liang)子糾纏是(shi)非定域的(de)(de),而隱(yin)變(bian)量(liang)(liang)理(li)論(lun)是(shi)錯的(de)(de)。

  1984年,IBM的(de)貝內特和蒙特利爾大學(xue)的(de)布(bu)拉薩(sa)德(de)提出了第一個實用(yong)型量子密鑰分配系統,被稱BB84方案,正式標(biao)志(zhi)量子保(bao)密通(tong)信的(de)誕生。

  BB84方(fang)案的基本原理是,收發雙方(fang)的信(xin)息(xi)可以用(yong)光子偏(pian)振態(tai)表示,假如張(zhang)三利用(yong)隨機(ji)偏(pian)振發送信(xin)息(xi),李(li)四發現(xian)并記錄下信(xin)息(xi)。然(ran)后,張(zhang)三在公(gong)頻(pin)告知李(li)四偏(pian)振頻(pin)率,雙方(fang)按(an)照正確的偏(pian)振比對選(xuan)擇的信(xin)息(xi)部分。

  事實上,BB84方案雖然應(ying)用了量(liang)子(zi)(zi)通道(dao),傳輸的(de)卻(que)仍是(shi)經典信(xin)(xin)息,而真(zhen)正的(de)量(liang)子(zi)(zi)通信(xin)(xin)是(shi)將信(xin)(xin)息編碼在量(liang)子(zi)(zi)比特上,在量(liang)子(zi)(zi)通道(dao)上將量(liang)子(zi)(zi)比特從甲方傳給乙(yi)方,直接實現信(xin)(xin)息的(de)傳遞。

  比如(ru)在經典通(tong)信中,張三(san)將需要傳(chuan)輸(shu)的文(wen)件(jian)經過(guo)掃描(miao)后(hou)得(de)到的信息,通(tong)過(guo)經典通(tong)道傳(chuan)送給李(li)四(si),后(hou)者可將文(wen)件(jian)打(da)印出來。然而,張三(san)不(bu)可能用這(zhe)種方式將一個量(liang)子(zi)(zi)(zi)態傳(chuan)輸(shu)給李(li)四(si)。因為要傳(chuan)輸(shu)就必須要測(ce)(ce)量(liang),但量(liang)子(zi)(zi)(zi)態一經測(ce)(ce)量(liang)便發(fa)生坍縮,不(bu)再是原來的量(liang)子(zi)(zi)(zi)態了。

  那么,如何(he)在不引起坍縮的(de)情況下(xia),將一個量子態傳輸(shu)出去呢?

  1993年貝內特等人提出(chu)了(le)基于EPR對(dui)(總動量(liang)總自旋為零的粒子(zi)(zi)對(dui))的隱形傳態(tai)協議,利(li)用兩(liang)個(ge)經典(dian)比(bi)特信道和一(yi)(yi)個(ge)纏(chan)繞比(bi)特實現了(le)一(yi)(yi)個(ge)量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特的傳輸(shu)。這個(ge)傳輸(shu)過程先是制備(bei)兩(liang)個(ge)有糾纏(chan)的量(liang)子(zi)(zi)(粒子(zi)(zi))A和B,假如張三(san)和李四(si)各持一(yi)(yi)個(ge)。然(ran)后,張三(san)對(dui)需(xu)要傳送的量(liang)子(zi)(zi)態(tai)X和手中的A做“貝爾測(ce)量(liang)”,確(que)認兩(liang)個(ge)粒子(zi)(zi)陷入糾纏(chan)。測(ce)量(liang)后,X的量(liang)子(zi)(zi)態(tai)坍縮了(le),但(dan)它的狀態(tai)信息(xi)隱藏在A中,使A也(ye)發生變(bian)化,但(dan)并(bing)非坍縮。

  因為A和B互相(xiang)糾纏,A的變化立(li)即影響B,讓B也發生變化。不(bu)(bu)過這個時候李四還不(bu)(bu)能觀察B,直(zhi)到從經(jing)典通道得到張(zhang)三(san)傳來的信息。

  張三將測量結果(即A發生(sheng)的(de)變化)告訴李四,然(ran)后(hou),李四對B進行(xing)相(xiang)應的(de)變換處理(li),就能使B成為和原來的(de)X一(yi)模一(yi)樣的(de)量子態。這個(ge)傳輸過程(cheng)完(wan)成之后(hou),雖然(ran)X坍縮了(le),但X所有的(de)信息(xi)都傳輸到(dao)了(le)B上,這個(ge)過程(cheng)就被稱為隱形傳態。

  量子(zi)隱形傳(chuan)態(tai)(tai)中(zhong)傳(chuan)遞的量子(zi)信息是(shi)一種量子(zi)態(tai)(tai),B粒(li)子(zi)獲(huo)得A粒(li)子(zi)最初的狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)時,A粒(li)子(zi)的狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)必然改變(bian)。在任何(he)時刻都只(zhi)能有一個粒(li)子(zi)處于(yu)目標(biao)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai),所以只(zhi)是(shi)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)的“移(yi)動”,而不是(shi)“復制(zhi)”。

  被嚴格證(zheng)明的無條件安全(quan)

  根據量(liang)子(zi)的不可克隆特性,任何(he)竊(qie)聽者試圖攔截量(liang)子(zi)通信(xin)(xin)時,都會對量(liang)子(zi)態造成破壞。收(shou)發信(xin)(xin)息(xi)雙方只要對比(bi)部(bu)分密鑰,就能斷定信(xin)(xin)息(xi)是否被截獲。

  復(fu)制(即克(ke)隆(long))任(ren)何(he)一個(ge)粒子(zi)的狀(zhuang)態前(qian),首(shou)先都要(yao)測量這個(ge)狀(zhuang)態。但(dan)是量子(zi)態非常脆弱,任(ren)何(he)測量都會(hui)改變量子(zi)態本身,即令(ling)量子(zi)態坍縮(suo),因此量子(zi)態無法被(bei)任(ren)意克(ke)隆(long)。這種(zhong)量子(zi)的不可(ke)克(ke)隆(long)特性已(yi)經(jing)經(jing)過了數學上的嚴格證明。

  竊聽(ting)(ting)者(zhe)(zhe)試圖攔截經典信息(xi)時,就會(hui)復制這份經典信息(xi)。在量(liang)子(zi)態(tai)傳輸過程(cheng)中,因(yin)為無(wu)法(fa)克隆任意量(liang)子(zi)態(tai),于是在竊聽(ting)(ting)者(zhe)(zhe)竊聽(ting)(ting)攔截量(liang)子(zi)通(tong)信的(de)(de)時候,就會(hui)銷毀他所截獲到的(de)(de)這個量(liang)子(zi)態(tai)。

  正因如此,我們直(zhi)接傳輸量子(zi)比(bi)特時(shi),不(bu)用建立量子(zi)密(mi)碼。量子(zi)密(mi)鑰的產(chan)生(sheng)過程(cheng),同(tong)時(shi)就是分配過程(cheng),通信(xin)雙方(fang)同(tong)時(shi)獲得密(mi)鑰,并不(bu)需要第三者信(xin)使在中間傳輸。

  量(liang)子密鑰分配,就是建立(li)起(qi)完(wan)全(quan)安全(quan)的(de)密鑰傳(chuan)輸通道。因為光子有兩個偏振方向,而(er)且(qie)相互垂直(zhi),所以信息的(de)發送者和接收者,都可以簡(jian)單地(di)選(xuan)取90度的(de)測量(liang)方式(shi)或45度的(de)測量(liang)方式(shi)來測量(liang)光子。

  得(de)到(dao)全部測(ce)量(liang)結(jie)果后,他(ta)們(men)之間通過(guo)經典(dian)信(xin)道,如電(dian)話、QQ等建立(li)聯系,互相分(fen)享(xiang)各自用(yong)過(guo)的(de)測(ce)量(liang)方(fang)(fang)式,相同的(de)測(ce)量(liang)方(fang)(fang)式所對應的(de)二進制比特(te),就是他(ta)們(men)最終生成的(de)密碼(ma)。需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是,只有當發送方(fang)(fang)和接收方(fang)(fang)所選(xuan)擇的(de)測(ce)量(liang)方(fang)(fang)式相同的(de)時候(hou),傳輸(shu)比特(te)才(cai)能被保留下來用(yong)作密鑰。

  想知道(dao)是(shi)否存(cun)在截獲(huo)者,發(fa)(fa)送方和接收(shou)方只需要拿出一小部分(fen)密(mi)(mi)鑰來對照。如(ru)果發(fa)(fa)現互相有25%的不(bu)同(tong),那么就可(ke)以斷(duan)定信息被(bei)截獲(huo)了。同(tong)理,如(ru)果信息未(wei)被(bei)截獲(huo),那么二者密(mi)(mi)碼(ma)的相同(tong)率是(shi)100%。如(ru)果發(fa)(fa)現竊聽(ting),就立刻關閉通信,或重新(xin)分(fen)配密(mi)(mi)鑰,直(zhi)到沒人竊聽(ting)為止。

  正是由于量子不可克隆定理,讓接收方能夠察覺(jue)密(mi)(mi)鑰(yao)的錯誤,停止密(mi)(mi)鑰(yao)通(tong)信(xin),從而也就保(bao)證了量子加密(mi)(mi)信(xin)息的絕對(dui)安全(quan)性(xing)。

  超(chao)光速通信依舊(jiu)無法實現(xian)

  即便量(liang)子糾纏(chan)速度(du)(du)可超越(yue)光速,但這種量(liang)子態的改變并不(bu)為人類意(yi)志所發(fa)生變化。具體的信(xin)(xin)息由一串有序符(fu)號構成,這種信(xin)(xin)息的發(fa)送無法(fa)超越(yue)光的速度(du)(du)。

  中國科學(xue)家潘建偉帶(dai)領其團隊曾在(zai)青海做過量子糾(jiu)纏的速(su)(su)度(du)下(xia)限測試(shi),實驗表明量子糾(jiu)纏的速(su)(su)度(du)至少是光(guang)速(su)(su)的上萬倍。那(nei)么,利用量子糾(jiu)纏特(te)性能否(fou)實現(xian)超光(guang)速(su)(su)通(tong)信呢?答案是否(fou)定(ding)的。

  如(ru)果(guo)(guo)把甲(jia)乙兩個糾纏(chan)粒(li)(li)子放在(zai)AB兩地(di),改(gai)變A地(di)的(de)(de)粒(li)(li)子,B地(di)粒(li)(li)子也(ye)同時發(fa)(fa)生相應改(gai)變。由于量子力學的(de)(de)非局域(yu)性,這(zhe)種改(gai)變只能是(shi)(shi)隨(sui)機的(de)(de),并不會完全(quan)按照人的(de)(de)意愿進行(xing)。因為(wei),有效的(de)(de)信(xin)息必須是(shi)(shi)一連串(chuan)最基本(ben)的(de)(de)有序符(fu)號構成,如(ru)果(guo)(guo)01011000代表的(de)(de)是(shi)(shi)一個蘋果(guo)(guo)的(de)(de)信(xin)息,那么我們(men)操縱一個量子糾纏(chan)系統,就得迫(po)使它按順(shun)序發(fa)(fa)送0101100這(zhe)樣的(de)(de)符(fu)號。

  很可惜,操縱量子(zi)得到的(de)(de)結果只是(shi)隨機的(de)(de)。這(zhe)是(shi)量子(zi)物理最令(ling)人困惑的(de)(de)一(yi)點: 當你(ni)知道系(xi)統完整(zheng)狀態(tai),并對系(xi)統的(de)(de)其余部(bu)分進(jin)行測量時,可以(yi)通過糾(jiu)纏(chan)(chan)獲取(qu)系(xi)統某一(yi)個部(bu)分的(de)(de)信(xin)(xin)息(xi),但(dan)是(shi)不能(neng)從(cong)糾(jiu)纏(chan)(chan)系(xi)統的(de)(de)某個部(bu)分創(chuang)建并發送信(xin)(xin)息(xi)到另一(yi)部(bu)分。盡管這(zhe)個想法很聰明,但(dan)超光速通信(xin)(xin)依(yi)然是(shi)不可能(neng)實現的(de)(de)。

  量子(zi)力學中(zhong)狀態(tai)的(de)變(bian)化是瞬時(shi)的(de),在科幻電影(ying)中(zhong),經常有把人從一個地(di)方(fang)瞬間傳送(song)到另(ling)一個地(di)方(fang)的(de)鏡(jing)頭,甚至認為依(yi)靠糾纏來實現的(de)量子(zi)隱形傳態(tai)可以(yi)推翻相對(dui)論,實現超光速傳輸。

  其實,這也(ye)是一種誤(wu)解。量(liang)子(zi)隱形傳(chuan)態(tai)的方案包括若干步(bu)(bu),其中一步(bu)(bu)是上文中的張三將測量(liang)結果(即A發生的變(bian)化)告訴李四,才能(neng)把B粒子(zi)的狀(zhuang)(zhuang)態(tai)變(bian)成目標狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。這個信息需要用經典(dian)的通信方式,例如打電話、發郵件等,速度不能(neng)超過光速,所以基(ji)于量(liang)子(zi)糾(jiu)纏(chan)的量(liang)子(zi)隱形傳(chuan)態(tai)速度也(ye)不能(neng)超過光速。

 

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