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一文读懂:量子通讯

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一文读懂:量子通讯

雪花又一年 2018-05-16 15:57:59 浏览101 评论0

摘要: 量子通讯 2016年8月16日凌晨,我国成功发射了世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。这是一件具有重大里程碑意义的社会事件和科学事件。 翻看网页和电视报道,没有一个能令我非常满意的科普介绍,要么过于简略,误使人以为“懂了”,要么过于严谨的描述,使人“望而生畏”。

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量子通讯

2016年8月16日凌晨,我国成功发射了世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。这是一件具有重大里程碑意义的社会事件和科学事件。

翻看网页和电视报道,没有一个能令我非常满意的科普介绍,要么过于简略,误使人以为“懂了”,要么过于严谨的描述,使人“望而生畏”。在这种情况下,有必要对“量子通讯”卫星整件事做一个通俗而又不失真的“素描”。

如同用寥寥数笔勾勒人物形象,让人们一眼看去就是“某某某”,但是“某某某”有几条皱纹,有几颗痣,我们暂时先不关心。

下面首先解释这颗“量子通讯”卫星为什么被命名为“墨子”号。

首先对“墨子”做简要介绍。

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墨子

墨子名翟,是诸子百家中涉及自然科学研究最多的先贤,“墨家”的创始人。

发射的世界首颗“量子通讯卫星”以“墨子”命名最主要的原因是:墨子早在两千年前就对传播信息的介质“光”和“声音”进行了研究。

墨子第一个进行了著名的小孔成像实验,对平面镜、凹面镜、凸面镜等进行了相当系统的研究,得出了几何光学的一系列基本原理。还对声音的传播进行过研究。

此外,墨子还给出了“力”的定义,对杠杆定理、斜面、重心、滚动摩擦等力学问题进行了一系列的研究,在机械制造方面也有很深的造诣。

所以这颗利用量子进行“通讯”的卫星以“墨子”命名,非常具有针对性和纪念意义。

接下来介绍“量子通讯”。

人类的通讯史在不断的演进,通讯方式和通讯媒介都在发生变化。通讯方式从两个罐头加一根绳子开始,鸡毛信,电报、电话、拨号盘电话、按键电话、手机、短信、微信,当然,今天迎来了全新的“量子通讯”。通讯媒介从固体、空气、电缆、光纤,到今天的“量子”。

下面首先介绍“量子”,再介绍量子为什么能通讯,以及怎么利用量子进行通讯,以及用量子进行通讯的最大优点。

通讯介质之所以不断的变化,是因为新的通讯的媒介有更加新奇的性质,更加强大的传播讯息的能力。

下面先说三个东西:“量子”是什么东西?具有什么新奇的性质?为什么可以用来传播讯息?

简单的说,量子是构成物质的最基本单元,能量的最基本携带者 ,不可分割。这种说法看似简单,却不通俗。所以要多聊一下。人们最早认识到“量子”,并且提出这个概念是被逼无奈。

被逼无奈的意思就是不想承认都得承认。被谁逼的?当然是一次又一次确凿无疑的实验结果。有一句话叫做:实验可以推翻理论,理论永远无法推翻实验。既然实验没有问题,那就只能从人们理解世界的图像、模型和理论上找问题了。

在1900年之前,人们认为各种“物理量”,比如,长度、能量、等可以无限细分,是“连续”存在的,没有最小的。在这里提醒一下,这种世界观虽然是凭经验的,但是,不可否认它的确可以解释1900年之前绝大部分的实验结果,建立在这种世界观基础上的大部分的理论计算值都能与实验值很好的吻合。

1900年之前的世界观一个典型代表就是“牛顿力学”。以至于有一次美国的航天飞机在返回地面的过程中,地面控制室问航天飞机的驾驶舱:现在是谁在驾驶?航天人员开玩笑的说:是牛顿。

随着物理学研究疆域、深度和精度的不断拓展,人们发现很多物理现象完全无法用已有的理论来解释了。

19世纪的最后一天,英国著名物理学家开尔文勋爵发表了新年祝词,他非常自信的宣布:物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。当然,他也很谨慎地讲道:物理学大厦的美丽而晴朗的天空却飘来了两朵乌云。

第一朵乌云出现在光的波动理论上,主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾。第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上,主要是指黑体辐射实验。

先说明一下,对第一朵乌云的研究导致了“狭义相对论”的诞生。对第二朵乌云的研究导致了“量子力学”的诞生。诞生的两大理论直接导致了全体人类对世界从根本上的重新认识,现在回过头来想一下,开尔文勋爵指的宏伟的物理学大厦用茅草屋来形容可能更妥当。所以在面对“这个世界到底是个什么样子”的问题时,人类最好永远都不要骄傲。

在理论不能解释实验结果的日日夜夜里,物理学家寝食难安,使出浑身解数来调和理论与实验之间的裂痕,经过很长一段时间的摸索和碰壁,在走投无路的情况下,极其不情愿的去尝试改变“连续”的世界观图像,即,做出“世界是不连续”的假设:世界是一份一份的。这一份一份就是大名鼎鼎的“量子”。

1900年,德国物理学家M·普朗克大胆提出“量子”假设,即能量不能无限分,世界上有最小的能量单位,能量不连续,能很好的解释“黑体辐射”的实验结果。后来,1905年,爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程,提出“光量子”(光子)的概念,很好的解释了大名鼎鼎的“光电效应”。

把世界假设为“一份一份”的,结果,居然成功了。“成功”的意思是:理论计算值居然与实验结果吻合。所以没办法,只好承认。

细想一下,“世界是连续的”其实也是凭经验的假设,因为这个模型能解释之前所涉及的实验,之所以没有人怀疑过,是因为这种模型非常符合人们的感官感受,人们理解起来很自然。

胜者为王,败者为寇,既然不连续能精确的解释并且预言实验结果,那么之前的假设就是错的,“世界是不连续”这种图像是人们必须所承认的图像。不过很遗憾,这与人们的感觉感受冲突很大。在接下来的几十年里,虽然“量子力学”一路高歌,统治了整个世界,但是直到现在,关于“量子力学”的感性的图像,始终没有能在人类的大脑中建立起来。

比如,电子的“双缝衍射”实验,电子到底是怎么通过双缝的?没人能够说的清楚,有人说是物质波的干涉之后探测时波函数的“塌缩”,说出这种话,说明已经到人类智慧的极限了。

其实,不懂量子力学是一个正常人类应该有的反应。诺贝尔物理学奖得主费曼说:“我想我可以有把握地讲,沒有人懂量子力学!” 量子论的创始人玻尔也说过:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”既然连费曼和玻尔都这样说,所以,我们真不敢说“理解”了量子力学。

不理解,但是不妨碍我们“使用”量子力学。一个物理学家对其学生说了如何面对量子力学的一句名言:“闭嘴,计算!”所以,理论与实验吻合才是“王道”。

量子理论是迄今为止最精确地被实验检验了的理论。举个“兰姆移位”例子。

在1947年,兰姆等人用射频波谱的方法发现氢原子的前人所认为重合的两个能级并不是完美的重合,而是存在着一个很小的能级差,

实验值:0.001159652188(4)。

理论值是0.001159652133(29),

误差发生在小数点后面第11位!

实验的精度达到百亿分之一,兰姆移位实验,直接促使了量子电动力学的诞生。

在上面的介绍中引出了“量子”的概念,虽然没人能真正理解,但是可以放心大胆的使用。

“量子”可以用来“通讯”,说明量子可以“传递讯息”,一个重要的问题是:“量子”是怎么做到能传播讯息的?

一切都与“量子”表现出来的“奇妙”性质与现象有关。

首先介绍量子最重要的性质:“叠加态”。

从日常经验来说,一个物体在某一时刻,一定处于唯一的一个状态。比如我说:我现在“在三明”,或是说:我现在“不在三明”。在某一时刻,我要么“在三明”,要么“不在三明”,必居其一。

然而,在量子世界中,情况截然不同。量子可以处于一种所谓“叠加态”的状态中。例如,量子可以同时位于两个不同的地点。也就是说,电子可以既“在三明”,又“不在三明”。“在三明”和“不在三明”两种状态按一定几率的叠加。电子的这种状态叫做“叠加态”。

如果有人问:量子为什么可以这样?我的回答是:不要问为什么,世界本来如此。

“叠加态”的存在,是“量子”最大的奥秘,是量子所有现象神秘感的根源,是我们了解量子力学的关键。

介绍了量子“叠加态”,再来介绍一只猫来加深一下印象,这只猫很特殊,叫做“薛定谔猫”。薛定谔是量子力学的奠基人之一,提出了薛定谔方程,这个是量子世界的最最基本的方程。

“薛定谔的猫”如下:

把一只猫放进一个封闭的盒子里,这里的“封闭”主要是指人看不到。这个盒子里面除了猫之外,还有一个原子核和毒气设施。这个原子核有一定的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子,这个粒子将会触发毒气设施,确定无疑地将猫杀死。

未进行观察时,这个原子核处于“已衰变”和“未衰变”的叠加态,因此,猫就应该相应地处于“死”和“活”的叠加态。老实说,这种状态人类不能理解,但是确实处于这种状态。

下面由量子的“叠加态”再引申出来量子的“纠缠态”:

还是以上面薛定谔猫为例。

在人类未观察盒子的时候,整个系统的状态可以表示为:

整个系统的状态=原子核衰变*猫死+原子核未衰变*猫活

“*”代表“并且”,“+”代表“叠加”

这种“原子核”与“猫”的关联状态就是量子“纠缠态”。

这种状态最大的特点是:打开盒子的一瞬间,叠加的两个状态,一个状态被确定,一个消失。

所以,设想一下,如果两个粒子A和B如果处于纠缠状态,不管被分开多远,对其中一个粒子施加作用,那么另外一个粒子“瞬间”会发生变化。这个就是爱因斯坦所说的“幽灵般的超距离互动”,这也是“量子”为什么能传播讯息的基础。

不管被分开多远,都能发生“纠缠”,这只是从理论上讲的话,这次发射的卫星其中目的之一的就是检验在目前实验条件下,实际发生“纠缠”的物理极限距离。

为了多理解一下这种“幽灵般的超距离互动”,再举一个例子也是值得的。

以双粒子为例,粒子A可以处于“福建省三明市”,也可以处于“福建省福州市”,粒子B也是这样。单个粒子可以用一个量子比特来表示:

粒子A单独存在的叠加态:

A=A三明+A福州 。

A表示A粒子单独存在时的“叠加态”,“A三明”表示A粒子在三明,“A福州”表示A粒子在福州。B粒子也类似。

粒子B单独存在的叠加态:

B=B三明+B福州。

当两个粒子发生纠缠,就会形成一个双粒子的叠加态AB,例如:

AB=A三明B福州 +A福州B三明

这样的叠加态AB就是一个纠缠态AB:当A粒子处于三明时,B粒子一定处于福州;反之,当A粒子处于福州时,B粒子一定处于三明。

爱因斯坦所说的“幽灵般的超距离互动”应该怎么理解?我稍微说的详细一点。

就像“心灵感应”一样,这两粒子无论相距多远,结果始终一样。那么用上面A和B两个粒子来说,用通俗的话来说,A粒子在三明和福州有两个“分身”,B也有三明和福州两个“分身”。

接下来,如果对A进行了测量,那么A有个分身会消失,那么B分身会怎么样呢?B的分身也会消失。比如A在三明的分身消失了,只留下福州的分身,那A就知道,而且必然会发生的事情,就是B在福州的分身也会消失,只留下三明的分身,这就是量子纠缠。

介绍纠缠之后,再讲一下“三个世纪,三个‘E’”的故事:19世纪开始进入了能量(Energy)的世纪,大规模的开发地球上的能源,化石能源得到了极大的开发。20世纪开始进入了熵(Entropy)的世纪,信息技术,计算机等得到了极大的发展,摩尔定律,香农定律等得到了极大的应用。进入21世纪开始进入纠缠(Entangle)的世纪,量子纠缠不仅在基础研究更在实际应用得到了极大的发展。当然,三个E的世纪并不是孤立发展的,而是并行交叉的发展。

再介绍什么是“量子隐形传输”。

还以上面A粒子和B粒子为例,如果我们想把三明的量子传送到福州,那怎么办呢?

先在三明和福州之间建立这样的纠缠,然后我通过对两地的粒子,做一些特殊的操作,那么在三明的量子就会消失出现在福州。这就是“量子隐形传输”。首先申明,量子的“隐形传输”必须要传统的方式配合,比如电话、传真等等。

具体操作如下:

我在“三明”,朋友在“福州”。

我想要把量子X传给朋友。要完成这一过程,需要利用处于纠缠状态的粒子A和粒子B。粒子A在我这里,而朋友拥有粒子B。

首先,我对需要传送的X和A作“贝尔测量”。测量后,X的量子态“塌缩”,同时,A也发生了变化。

所谓的“贝尔测量”是一种纠缠的转移,信息通过纠缠转移而传输。

当我在三明对X和A做“贝尔测量”之后X、A、B三粒子之间,已经完成了“纠缠转移”:原来不纠缠的X和A纠缠起来,光子X原来量子态的大部分信息,已经转移到B。因为A和B互相纠缠,A的变化立即影响B也发生变化。然而,在福州的朋友无法察觉B的变化,直到我在电话里把信息告诉朋友。然后,朋友对B进行相应的变换处理。最后,B成为和X一模一样的状态。

到此,原来的X的所有信息都转移到了朋友所拥有的粒子B上。而实际上,我和朋友从始至终都对X上的这些信息一无所知,我们唯一所知道的只是:最后,X和A成为纠缠单态,朋友的粒子B有了X的所有性质,隐形传态完成。

再举一个用“传真机”传送照片的例子来说明。

在“传统”的世界中,传送一张照片X

首先,我将照片X进行扫描,得到需要传输的图像信息。然后,从互联网传给朋友。朋友收到图像后,用另外一张纸B将图像打印出来。

在这种传递过程中,传送的只是X的一部分信息,照片X的材料、颜色、大小、厚度等信息并不能从扫描过程得到,也没有被传递过去。况且,即使是朋友知道了这些性质,造出一张表面看起来完全一样的纸来打印图像,后来的B也不能说是和原来的X一模一样的。

但是,在量子隐形传输中,最后的B可以做到和X完全一样。量子隐形传输从得到实体的完整信息,而复制出了X本身,尽管只是一个小小的量子态。有人可能会说:“远距离传物的时代就要来临了!”

至此,我必须交代两点:

第一、在这个过程中,传送的只是粒子的“状态信息”,而不是粒子“实体本身。这可能会使很多人失望。

第二、未知量子态的传送,需要传统方式的配合,传送速度不可能超过光速——不违背相对论原理。这可能会使更多的人失望。

但是下面马上介绍的“量子通讯”最大的优点:“绝度的保密性和安全性”,会重振大家的希望。

上面就是“量子通讯”的基础。下面介绍为什么发射“量子通讯”相关的“卫星”。

其实发射卫星只是整个“量子通讯”的一个环节。实现“量子通讯”,特别是实现远距离“量子通讯”的基本的路线图如下:

先利用光纤在城市内实现城市内的量子通讯网络。比如,我国北京到上海的京沪干线就是这样的网络,任意两点之间都能传递保密的信息。然后,在超远距离,光纤没有那么容易铺过去,通过卫星的中转,来实现远距离的量子通讯。刚刚发射的量子通讯卫星就是中转站,最终建成天地一体化的量子保密通信网络。

细心的人可能会发现还没有介绍“保密”二字。

量子通讯技术一个极其重要的优点在于让信息传输过程的高保密性。而且真正做到了“绝对”的安全。

怎么做到的?

上面提到过“量子”的叠加态,即“分身术”。

举个例子,我现在人在三明,我想把一条信息传送给福州的一个朋友,怎么办?我先把信息锁在一个箱子里,我先给朋友传一把钥匙,再给传箱子,朋友有这把钥匙,就可以把箱子打开,读到里面的内容,

完全保密的关键步骤在于:用“量子”的方式首先传送这个钥匙。

根据量子的“叠加态”原理,钥匙有很多的分身,如果有人想截获这把钥匙,根本没有可能得到传播的信息。因为,他一旦对钥匙进行了测量,其他的分身就会消失了。我们会立即知道。那我们就把这把钥匙废掉,我再给朋友一把。

故事讲到这里,聪明的人就会问下面这个问题:

为什么非要“废掉”被窃取的钥匙呢?可不可以复制一把原先的钥匙,再传一次,然后把箱子传过去再打开。

有一个定律告我们绝对不可以这样。

这个定律叫做:“量子不可克隆原理”。简单讨论一下其中最核心的内容:

量子的“叠加态”决定了量子态“不可复制”。在量子世界,假设有这么一个克隆机可以对量子进行克隆,那我们知道A就变成两个AA,而B就变成BB,那么,如果我输入了一个A+B的叠加态,那它就应该是,AA+BB这样的一个纠缠的形式。

但是,我所想要的是A+B和A+B,就这么简单的一个公式,就限制了一个未知的量子态不能够被克隆。

如果有人窃听,我立即能够发现,而窃听的人又不能对它进行克隆,所以确保当朋友拿到了唯一的钥匙之后,接下来我以很随便一种方式把箱子交给朋友就行。

到这里,所有关于“量子通讯”的解释都已完毕。诞生百年的量子理论的奇妙之处在于从未被理解,但是在实验室里却被不断重复验证和检验。这次,中国科学家率先向太空尺度的量子通讯发起挑战。致敬!



原文发布时间为:2016.08.17
本文作者:非是藉秋风
本文来源:简书,如需转载请联系原作者。

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