量子通信是什么?

作者:顾新书来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-08-16

2016年8月16日凌晨1时40分,在一片震耳欲聋的轰鸣声中,一架长征二号丁运载火箭正喷出闪亮的火舌,从酒泉卫星发射中心的发射塔架上一飞冲天。

从量子货币到量子保密通信

  20世纪初,量子物理学取得了长足发展。在物理学家不断刷新对量子力学认知的同时,当时的密码学家忽然意识到一个问题:利用量子不可分割、不可复制的特性,人类是否有可能发展出一种永不陷落的安全体系?

  20世纪60年代末,美国哥伦比亚大学的斯蒂芬·威斯纳(Stephen Wiesner)提出了在今天看来仍十分超前的量子货币概念。量子货币的理论基础是“海森堡不确定性原理”及其推论“不可克隆定理”。用通俗的话解释,他打算在钞票上放置“囚禁”光子的装置,通过检测光子独一无二的偏振方向来验证钞票真伪。这种做法在理论上确实可以制造出不可伪造的钞票,然而它的缺点也一目了然——验证真伪所需要付出的代价太高,成本比钞票本身的面额还大得多。威斯纳的想法最终被认定为过于超前,多家学术期刊拒绝了他的论文。

  但威斯纳的大学同学,在IBM公司托马斯·J·梅森实验室工作的查尔斯·本内特(Charles Bennett)很欣赏这一设计,并在此基础上,本内特于1984年提出了利用光子偏振态编码传送密钥信息的量子密钥分发协议——BB84协议。自此,量子密码开始受到学术界的高度关注。1993年,本内特等6位科学家发表题为《经由经典和EPR通道传送未知量子态》的论文,正式提出“量子隐形传态”构想。这一构想被认为是量子通信的基础。

  前面说到,量子有两项特性,一个是不可分割,一个是不可复制。本内特指出,因为光量子具有不可分割性,所以在单光子发射的情况下,窃听者不可能采用将光子分成两半,一半用于获得密钥,一半传输给接收方的方式来避免被发现。与此同时,因为光量子是无法准确被测量的,所以不能被窃听者复制。换句话说,窃听者无法通过准确测量光子,克隆出一个一模一样的量子来获取信息。也就是说,在量子通信的范畴内,只要窃听者窃取信息就必定会被发现,这是它相较传统通信技术的一大改变。

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  1997年,奥地利科学家安东·蔡林格(Anton Zeilinger)在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证,成为量子信息实验领域的经典之作。当时,中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟正在奥地利留学,跟随导师蔡林格参与了整个实验。回国后,潘建伟在中国科学技术大学组建了量子信息实验室,经十余年耕耘,目前,潘建伟团队已成为世界范围内量子信息实验领域的领头羊。这次上天的“墨子号”卫星正是这个团队的最新杰作。

量子通信是如何实现的?

  说了这么多,那么量子通信到底是如何实现的呢?在解释前,我们首先要清楚两个概念。

  第一个概念是光的偏振。我们知道光具有波动性,也就是光在传播过程中,是一边振动,一边往前走,振动可以是空间内垂直于传播方向的任意方向。但是我们可以在中途加一个偏光器,让振动方向垂直偏光器的光才能通过。这样一来,通过的光亮度会大大减弱,从而减少眼睛的负担,这个技术在太阳眼镜、电脑显示器和照相机中都有应用。

  第二个概念是基底,就是空间维度的轴。在二维空间上,它是X和Y,在三维空间则是X、Y、Z这三轴。让我们试着在脑内构建两个不同的基底,一个是水平X轴、垂直Y轴的水平垂直基底,另一个是倾斜45°,呈X形状的斜45°基底。我们把这两组基底想象成偏振器,那么当一束光通过某个基底后,只有这个方向偏振的光子被保留下来,也就是说这个光子的偏振状态是唯一的。好比一根绳子穿过篱笆,抓住一头上下甩动,篱笆对于绳子就像“透明”的,不会干扰绳子摆动,但如果你左右摆动,绳子的波就被篱笆阻挡了。

  明确了这两个概念后,我们来看如何实现从A到B的密钥传输。

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