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。

  首先,发信人A用水平垂直基底和斜45°基底对光子进行制备,并对制备后的偏振状态进行赋值。比如分别把他们在X轴偏振的光子记为1,Y轴偏振的记为0。也就是说,从水平垂直基底上筛出的光子,如果偏振状态表现出是0°,则代表二进制数1;如果是90°,则代表二进制数0。另一种基底也是同样道理。

  之后,A随机选择一批具有一定偏振状态的光子,通过正常的信道逐个发送给收信人B。此时,光子的赋值可以记作一个长度为N的二进制串。B在接收到A的光子后,随机选择一种基底进行测量。如果B和A选择的是一样的基底,那么测出来的结果就会跟A的赋值一样。如果选错了基底,光子就会无法通过,从而呈现出完全随机的表现。因为只有0和1这两种赋值,所以在这种情况下,错误率是50%。

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随机脉冲序列密匙

  在这之后,B把测量结果通过其他信道,比如公开打电话之类的,跟A进行核对。他不需要告诉A具体收到什么结果,只要告诉A他选取了什么基底就足够了。这样就能剔除错误结果,保留正确的结果,从而形成长度为M(M

  这时,A已经知道B测量光子用的基底序列,那么他再次发送随机脉冲序列时立刻就知道B的哪些是对的,哪些是错的。于是每次A给B发随机脉冲时,同时附上一份对错序列表。B收到脉冲以后,用对错表跟自己的测量结果进行比对。这样一来,他就知道哪几位上的数字是对的,从而获得正确的密钥。

  那么,问题来了,为什么对于这样的通信,旁人无法窃听?我们可以试着罗列出不同的可能性。

  首先,如果选择在A传送光子时进行窃听,那么必然要对光子进行测量,由于A对基底的选择是随机的,窃听者不可能正好跟A选择一样的一组基底,假设有两组基底作为备选,每一次选择正确的概率只有1/2,如果这个基底序列达到20位,那就是1/2的20次方,序列越长,正确率越低,窃听者从而无法获得正确的密钥。

  同时,由于窃听者对光子进行了观测,根据量子物理的理论,这种行为会干涉它的状态,从而导致它的偏振发生改变。B收到光子后,跟A进行核对,发现错误率明显提高了。说明中途肯定被别人窃听了,所以这条信道就不安全了,二者将停止通信。

  如果是直接截获并克隆A和B之间的信息传输,然后慢慢研究呢?很抱歉,这也是不可能的。从“克隆”的意义上说,要想精确地复制一个物品,首先就要测量这个物品的所有信息。然而,对一个遵循量子规律的系统,我们不可能同时精确测量它的所有物理量,因为根据“海森堡测不准原理”,在同一时刻,不可能以相同精度测定量子的位置与动量,我们只能精确测定两者之一。那么,窃听者就算截获了A发送的光子,也无法完美复制出一个一模一样的给B,这样同样会导致窃听暴露。

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