中国的量子通信技术突飞猛进!到底什么是量子通信?

10月14日,由中科院控股的国科量子通信网络有限公司与文昌国际航天城管理局、中国有线电视网络有限公司签署合作协议,计划在海南打造全球第一条“星地一体”环岛量子保密通信网络。这是中国在民用量子通信领域的又一个标志性事件。

近年来,中国在量子通信领域的发展速度早已走在了世界的前沿,量子通信产业化如火如荼。这项新技术对于传统通信方式而言是颠覆性的。但具体颠覆在哪里,似乎也很难用一两句话就能说明白。作为一个非行业内人士,我其实也只懂得一些最粗浅的皮毛,不过这或许有助于我利用尽可能浅显易懂的表述以便让更多人了解量子通信的伟大之处。

一、什么是量子

能说清楚量子是什么的人大概不多,但听说过薛定谔的猫的人应该很多。

微观世界是如此诡异,与我们通过观察宏观世界形成的规律总是背道而驰,以致于很多伟大的科学家,比如爱因斯坦,都无法接受其中的某些设定。

量子并不是某一种具体的粒子,而是对具有量子特性的一类粒子的统称。我们可以简单地理解为量子就是一切物质分割到最小的无法再分割的那一个单位的物质或能量。比如光的最小单位就是光子,电的最小单位就是电子,这些都可被称为量子。

量子拥有一些十分诡异的特性,例如量子的物理量是不连续的。如何理解这句话呢,例如在我们所熟悉的宏观世界里,当你翩翩起舞绕着原地转上一圈时,那么在这个旋转的过程中的任何一个瞬间,你都处于一个特定的状态,无论你将这个瞬间如何再分割到更短,你始终处于连续旋转中的一步。

但是到了量子这里却完全不是这么一回事,比如电子,它的自旋(这和宏观世界中的物体的自旋不同,这里我们只需要知道自旋是微观粒子的内秉属性,不用去深究。)只有上旋和下旋两个状态,而没有介于两者之间的其他中间状态。

更诡异的是,当你不去观察电子时,它处于既是上旋又是下旋的叠加态,而当你观察它时,它会随机成为其中的一种状态,量子力学把这种现象称为波函数(描述微观粒子状态的函数)坍缩。薛定谔拿猫来举例原本正是讽刺这种看似荒诞不经的现象。

二、量子纠缠

然而惊奇的事情还没有结束,如果把两个电子靠的足够近,它们会释放出一个光子,同时进入一种互相纠缠的状态,这个状态的奇异之处在于,当你观察其中一个电子导致其坍缩成某个确定状态(上旋或下旋)时,另一个电子也会立刻坍缩并且状态相反。如果这两个电子只是紧紧挨在一起,我们还能将这种状态变化假设为两者之间存在某种未知的联系。然而测试表明,纠缠态一旦形成,量子间就不再受到距离的限制,比如一个电子在地球,另一个电子在火星时结果也完全一样,并且两个粒子状态的坍缩是完全同步的,无论相隔多远都没有任何时间延迟。

这就好像你拿着一根无限长的木棍,当你旋转一端时,另一端也会同时旋转(实际上这其实有延迟)。

如果只是快速地思索一下,很容易得出一种常见的结论:上旋和下旋不正好对应二进制数里的0和1么,通过制造很多个量子纠缠对并且将每对量子拆散分别保存在有通讯需求的两方,不就可以实现超光速通信了么?

三、量子通信

不过很遗憾,这只是对量子通信的错误理解中最常见的一种。

处于纠缠态的量子实际上并不能传递任何信息。再仔细回顾一下之前的内容,量子状态的坍缩是随机的,在观察量子前,你并不能确定它的状态,也无法手动修正它,那么纠缠对中的另一个量子的状态显然也是随机的,自然也就无法携带任何事先拟定的信息。

最终的结论似乎有些沮丧,通信的最大速度仍然受到光速的限制,但量子纠缠虽然不能用于提高通信的速度,却在另一个属性上拥有独特的优势,那就是安全性。

传统信息加密方式最大的问题在于,它不能在理论上杜绝被破解或截获的可能,无论加密的方式有多复杂。事实上,对安全性要求极高的金融业普遍采用的RSA加密算法在最新的量子计算机面前也只需要几秒钟就能被破解。

但量子通信在理论上杜绝了这种现象的发生,传输信息的一方在发送信息的同时可以将纠缠对中的一个量子发送给对方,之后双方只需要观察量子并对坍缩后的量子状态进行比对就可以知道信息在传送过程中是否被截获。比如发送方发送了4对纠缠态量子,对方收到信息后观察量子,得到的状态依次是1101,那么发送方的量子态就应该是0010,两者比对,就可以确定信息是否被窃取。

首先,如果有人截获信息,则接收方无法收到量子;而如果截获者复制一份信息发送给接收方,则由于叠加态效应,接收方与发送方的量子状态将无法匹配(通过增加纠缠量子对数量就可以降低伪造匹配成功的概率)。

由此可见,量子通信无法被截获,信息传递将有史以来第一次实现绝对意义上的安全。这才是量子通信的最大价值所在。

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