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量子通信, 可以高深但拒绝高冷

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量子通信, 可以高深但拒绝高冷

雪花又一年 2018-05-03 14:18:00 浏览62 评论0

摘要: 虐狗的情人节终于过去了,吃够了“狗粮”后,是时候来补充点“精神食粮”了,今天,就跟着小编,开启一段量子通信之旅。 抛弃宏观世界的一切“常识”,挣脱由传统经验构筑的枷锁,保持“脑洞大开”的状态,文科生也要“咬牙坚持”,相信我,这一次你会发现量子通信,原来如此!     在推开神奇量子世界的大门前,你需要轻装上阵:抛弃掉你在宏观世界所获得的一切“常识”,挣脱掉那些由传统经验构筑的枷锁,保持“脑洞大开”的状态,并随时准备接受各种“这怎么可能?”     然后,开始吧。

虐狗的情人节终于过去了,吃够了“狗粮”后,是时候来补充点“精神食粮”了,今天,就跟着小编,开启一段量子通信之旅。


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抛弃宏观世界的一切“常识”,挣脱由传统经验构筑的枷锁,保持“脑洞大开”的状态,文科生也要“咬牙坚持”,相信我,这一次你会发现量子通信,原来如此!

   

在推开神奇量子世界的大门前,你需要轻装上阵:抛弃掉你在宏观世界所获得的一切“常识”,挣脱掉那些由传统经验构筑的枷锁,保持“脑洞大开”的状态,并随时准备接受各种“这怎么可能?”

   

然后,开始吧。

   

第一站

波粒二象性——看与不看很重要


量子,是能量的最小单位。微观粒子都是量子,我们在初中化学书上接触过的原子、电子和光子,均属量子大家庭。可以说,整个世界,都是由量子组成的。不过,由于量子太小了,对绝大多数人来说,它是“最熟悉的陌生人”。

   

微观粒子,有个神奇的属性,叫作波粒二象性。

   

双缝干涉实验证实了这一点。想象一下,你手中有一台电子发射器,面前摆着一个开了两条缝隙的隔板,隔板后放置了一块屏幕。当你打出的电子足够多,屏幕上应该出现什么景象?

   

如果电子是粒子,那么屏幕上应该出现两条条纹——电子随机选择穿过两条缝隙中的哪一条,并在屏幕上留下痕迹。然而,现实情况却是,屏幕上留下了明暗相间的多条“干涉条纹”。研究这些条纹的分布后,人们惊讶地发现,光子似乎在穿过缝隙时,具有某种“波”的特性。也就是说,它并非在两条缝隙中选择了一条穿过,而是以“波”的形式,同时穿过了两条缝隙,并且自己与自己发生了干涉——如果一条波的波峰恰好遇到另一条波的波谷,亮度刚好抵消掉,形成了屏幕上的“暗处”。

   

但是,电子又明明白白展现出粒子的特性。当我们逐个发射电子时,你就会发现,电子穿过隔板缝隙后,会在感应屏上的某个位置打出一个亮点。只是它的分布符合干涉条纹的分布规律:落在亮区的概率高,落在暗区的概率低。

   

为什么?科学家给出了一个大胆的解释:在撞上感应屏之前,无人干扰,电子确实以波的方式,穿过了两道狭缝;但一旦它撞上了感应屏,波函数立刻坍缩成为一个点。

   

感应屏在这里,扮演了“观测者”的角色。换个说法——电子呈现出什么状态,取决于“观测”。

  

 观测很重要吗?左看右看上看下看,那个女孩都不简单啊?可是在微观的粒子世界,任何一种介入,都会对测量对象产生致命干扰。你永远无法得到一个粒子的全部信息——当你知道了它的位置,它的速度也因为你的“知道”而发生了改变——这也是鼎鼎有名的“不确定性”原理。


第二站

量子纠缠——逆天的心灵感应

   

带着一点朦胧的感悟,我们继续上路。

   

叠加态,如同孙悟空的分身术。因为有着72分身,孙悟空可以同时既在此地,又在彼方。但是,如果唐僧想看清孙悟空究竟在哪里,这调皮美猴王的所有分身都会随机消失,只留下一个。

   

讲到这里,量子纠缠的概念就该登场了:相互独立的粒子可以完全“纠缠”在一起,对其中一个粒子进行观测可以即时影响到其它粒子,无论它们之间的距离有多远。

   

著名科学家爱因斯坦对此无法接受,称其为“幽灵般的超距作用”。

   

要继续开始想象了:现在有一个大粒子衰变成了两个小粒子,它们俩关系不和,朝着相反的方向飞开去。假设这种粒子有两种可能的自旋——“左旋”和“右旋”。根据总体守恒,如果粒子A为左旋,那么B一定为右旋;反之亦然。

   

可是,在我们没有对A和B进行观测之前,它们的状态都是不确定的,每个粒子都处于一种左/右可能性的叠加态。

  

 接下来,出现的就是连爱因斯坦都无法理解的一幕了——一旦我们观测粒子A,它的波函数瞬间坍缩,并随机选择了一种状态——比如说“左旋”;此时,尽管已经和A相距遥远,粒子B的状态也就瞬间确定了——它是“右旋”。

   

就算这两粒子分别处于宇宙的两端,它们同样可以保持这样可怕的“默契”——一旦你随机选择了左,那我一定会选择右。任何所谓的心灵感应,都比不上“量子纠缠”来得深刻。

   

第三站

量子隐形传态——一场“神奇变变变


   

终于,我们接下来要进入核心景点了——如果,我要在两个处于纠缠态的粒子之间通信呢?

   

此时,我们制备出了处于量子纠缠状态的光子α和光子β,并且把α给了身在北京的甲,把β给了身在上海的乙。我们实际上想传递的东西,是光子γ。

   

首先,我们让光子α和光子γ产生干涉,并记录下干涉结果;然后,甲需要用经典通信的方式,比如打电话、发短信、传电子邮件等,告诉乙这一结果。

   

拿到结果之后,我们就可以期待一场“光子变身秀”了。乙会操作一种叫作波片的东西,把β变成γ。

  

 什么?这是什么意思?不要慌,可以这么理解:α和β处于纠缠态;所以当α和γ发生干涉时,γ和β也就自动具有某种关系了;甲告诉乙α和γ的干涉结果,其实是告诉乙,β和γ应该具有怎样的关系。于是,乙通过“反推”,就能将β变成γ。

   

请注意,量子隐形传态,并没有真正传递出去了什么东西,而是一场“神奇变变变”。在这场“通信”中,α和β都是为了主角γ而牺牲的“炮灰”。最终目的,是让β成为γ,让乙能够获得有关γ的一些信息。

   

但是,目前能用量子隐形传态传输的东西相当有限。获评2015年年度国际物理学领域十项重大突破之首的,是潘建伟和陆朝阳等人的科研项目“多自由度量子隐形传态”。这项工作的突破性,在于它首次传送了光子的两个性质——“自旋”和“轨道角动量”。

   

真正的应用,确实任重道远。


第四站

量子密钥分发—不可窃听,绝对安全


 不过,量子通信技术实用化的景点大门已经打开,率先走进去的,叫作“量子保密通信”。它与经典通信最为不同的地方在于,用量子的方式来传送密钥。

   

信息科学方面有信息安全的瓶颈:用芯片可能有后门,用光纤可能遭到无感窃听;就算我们把信息进行加密,但随着信息技术的发展,传统上认为难以破解的东西,可能成了窗户纸,一捅就破。

   

不过,如果我们用量子的方式传送密码,就不存在这个问题了。

   

中科大量子信息实验室博士赵义傅在接受媒体采访时介绍,量子密钥分配是把一个信息编码在一个光子上,一个光子有着不同的量子态,代表着0和1;把光子通过光纤发射过去,接收方接到密钥后进行解码。

   

前面我们已经说过,一个量子的状态是未知的,根据“不确定性原理”,我们无法获得一个量子的所有状态信息,因此,量子也就无法被准确测量和精确复制;而量子不可能继续分割,窃听者也就不可能把它分成两半,一半拿走,一半传给运输方;更绝的是,在这一传输过程中,一旦有人窃听,微小的光子立刻就能做出反应——因为在量子尺度上,窃听者的存在感实在太强了!

   

所以,量子保密通信的安全性,能够得到极大保证。如今,量子保密通信甚至被资本市场称为“下一个万亿蓝海”。

   

现在,我们已经在量子通信世界游览了四个景点,鉴于脑细胞死伤无数,这段旅程也就告一段落。


原文发布时间为:2017-12-11
本文作者:陶卿
本文来源:九州量子,如需转载请联系原作者。

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