量子通信有什么价值?量子通信与传输能给我们带来什么改变?

随着量子力学理论相关发明在我们生活中的应用越来越普遍,通信作为人类间交流最重要需求之一自然也离不开量子力学的加持。今天讨论的并非产生无线电波的原理,而是在其之上的量子通信应用。

什么是量子通信?

量子力学实际上诞生于1900年已经是比较古老的一个理论了,不过在近几十年与信息科学交叉产生量子信息的领域,而我们如今所说的量子通信主要指的是量子保密通信,是一种保密方法,其原理用到量子力学中的量子纠缠。

我国在该领域处于世界第一梯队,我们在安全通信距离上已经取得了京沪2000公里的远距离量子通信(由于技术条件限制,远距离会导致失真),而世界上第一个天地量子卫星通信系统也由我国率先实现,量子卫星“墨子号”在1200千米的距离完成了量子纠缠光子分发实验。

为什么要发展量子通信

大家可以看去年(2019年)斯诺登出版的《永久记录》,其中已经将个人与国家隐私的侵害说明得比较透彻,而未来的大数据物联网时代,数据就犹如近代的石油般重要,掌握数据从某种程度上便能取得控制与引导权,所以对于国家来说发展量子通信不可或缺。

量子通信能超越光速么?

有人说,量子力学中不是有量子纠缠么?当一对粒子产生量子纠缠后,无论他们相隔多远,只要测量一个粒子,另一个粒子也将瞬间发生感应,可以说这是一种超光速的心灵感应。

那量子通信不是可以打破光速的限制瞬间传输,这样以后在美国进行现场直播的时候我们便能接收到毫无延迟的直播画面了么?

量子通信传输过程:

首先,不得不说量子通信的确用到了“量子纠缠”理论,例如将形成量子纠缠态的两个粒子A与B分别置于陆地与卫星上,再用C粒子给A粒子施加作用,将C粒子的量子状态特征瞬间传送到B粒子上。而这也的确是瞬间发生的。

你可能会说那不就对了,这种瞬时作用远超光速,那我们就能实现超光速信息传输了么?

不错但这一过程传输的并非信息而是所有不确定情况的概率,就如你通过纠缠态的一对粒子(A与B)将C粒子的量子特征传到B上,不过它传输的仅仅是改变这一情况,而改变后例如能产生10种不同的结果,这时候每种结果的概率都是相同的10%,也就是不确定的,而不确定在信息的传播中属于随机字符串,随机字符串的信息量为零。

所以量子通信并不能超越光速传输信息。在下文会提到,量子通信必须用到传统信道传输信息的方式才能完成通信。

量子通信为何绝对安全?

先简单介绍我们的密码通信原理:我们将所要发送的原本信息A通过一套规则也就是密钥加工成信息B,信息B采用尽可能安全的方式传输至需要接收信息的地方,这时候如若信息B被截获,外人没有正确的解密规则也就是密钥是不能获得原本的信息A的,而发出情报与接收情报的机构或个人因为拥有密钥使得信息能被解码读取到正确的信息。

当然这是简单的原理,实际上会复杂一些。大家都知道国与国对弈中信息情报起着决定性作用,无论是二战中图灵所破译的密码,珍珠港事件(为何航母刚好驶离),中途岛战役电报的破译,还是冷战中许多不为人知的事件等等,密码破译人员所做出的努力与成果都是极其重要的。

而这也带给我们一个问题,密码破译的密钥也是由人所设计,其内在总是存在某种关联,多次使用且密钥总有被破译或窃取的风险,就如二战中某国虽然破译了密钥不过为了战略性的胜利选择麻痹敌人,敌人到头来还不知道自己的战时通信情报被窥视得一清二楚,结局可想而知。而当代随着超级计算机计算能力越发变态,密钥的安全似乎越发岌岌可危。那么什么样的通信才是绝对安全的呢?

密码通信学中的绝对安全:

信息论创始人克劳德.艾尔伍德.香农在其论文中证明了什么样的信息传输是绝对安全的,那便是其提出的一次性便笺概念,并称其绝对不会被数学方法破译。包含以下三个方面:

①原文长度与密钥长度相等。

②密钥字符串绝对随机,之间没有任何联系。

③信息传输的密钥只能一次性使用。

而量子通信恰恰满足了以上所有条件。

虽然量子通信不能实现超光速传输信息,不过它却分发了秘钥,简单的可以理解为我们将待发送的光子C与纠缠态的光子A发生相互作用(这时候A与B的纠缠态消失,不过两者都瞬间发生变化),读取其中产生作用的信息,也就是密码学中的秘钥,而同时B光子出也得到相同的一条秘钥(随机字符串)。

量子通信与传输能给我们带来什么改变?

注意该过程中密钥的传输是通过量子信道,也就是量子纠缠,并非传统信道,而这也是它能保证绝对安全的原因。然后我们用传统信道(电话什么的)传送密文(众所周知秘文需要密钥才能破解)。接收方收到密文后再用量子信道传输的密钥进行解码还原出原本的信息,所以我们又把量子密码术称为量子密钥分发。

整个过程可以简单的理解为量子纠缠将密钥分发至A、B两端后再将原文按照密钥的规则用异或加密算法将明文加密为密文,将密文通过传统信通道(无线电话都行)传输给B光子处的人员,让其针对性的操纵光子B(因为B光子也有秘钥)还原成C光子原本的状态。

在该过程中即使敌人截获到我们通过传统信道发送的秘文也没用,因为他没有秘钥。秘钥的传输属于绝对安全瞬时超空间的量子纠缠效应,而且是一次性的。

量子通信与量子传输

科学中有这样一句名言,万物皆可比特(信息的基本单位),换句话说宇宙中一切细分起来,无论是原子、分子还是小得多的亚原子粒子都是信息的一种形式,也就是我们常说的比特(bit)。

我们常常在科幻电影中看到,某人被从地面远距离传送到一艘飞船内部(企业号?),看似十分玄幻,不过从科学的角度来说完全可行,就如发送信息一般运用量子通信原理将我们以光速传输至目的地。其原理如下图:

量子传送需解决的问题:

当然如今量子通信仅仅是传送少量简单的信息(类似于短信),如需要传送如人类般复杂含大量量子信息的生物的话我们势必解决以下问题:

①需制造大量纠缠量子与我们身体的基本量子形成完美纠缠。

②极高处理能力的计算机以实现解析与重构我们身体中所有的量子信息。

③在传统信道中发送的量子信息极为巨大,需要极高的带宽。

量子通信与传输能给我们带来什么改变?

难点:

如果说计算能力与传统信道带宽还可以通过量子计算机与未来科学的发展解决,那么最后一点让大量纠缠量子与我们人体的量子完美纠缠实现隐态传送则比较困难。这其中有两个问题需要解决:

①怎样保证如此多的纠缠量子与人体中巨量的基本量子完美纠缠实现隐形传态?

大家可能看或听说过一部科幻电影,其中一个科学家在量子隐形传态自己时在密封容器内混入了一只苍蝇,传送后便成为了苍蝇人,过后的故事大家都知道了。

②传送的过程如何避免产生错误信息实现高保真?

这个问题比较深奥,一方面我们确实摧毁了原来的量子态,并在接收端重构出与原来的粒子在位置和动量上拥有相同不确定度的量子态(量子力学的叠加态)。不过关键的是我们没办法在隐形传态中得到一个量子态的全部信息,我们再将这些信息通过传统信道传送给接收端重构时是否还是和原来一样的存在,不过构建一相同的量子态倒是可以。

结语

无论是量子通信还是未来的量子传输,其实质都是信息的一种传输方式。量子通信在信息加密方面可以说做到了当代的极致,从原理上暂时不会被破译。

而量子传输更是为我们远距离传输物体提供了较好的理论支持,也许将来淘宝买东西再也不用等上三天或是一天,下单秒到不再是梦。不过在传输有意识与智慧的生物方面还有待研究,因为基本量子始终处于叠加态不能测定其具体方位,当你计算后用过传统信道发送该类信息在接收端重构相同粒子时,其意识是否发生改变还未可知,毕竟意识这玩意还比较玄妙。

当今量子力学理论的产物已广泛运用于我们的生活,不过人类对该理论的认识还只是冰山一角,预祝我们在科学理论中取得更多的突破,并善加利用。

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