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量子通信最强科普:绝对保密!

2016-01-06 09:20
Hsiao Chen
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  新闻背景

  2015年底,英国物理学会《物理世界》评选的2015年度国际物理学领域十项重大突破,名列榜首的就是中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究小组,在国际上首次成功实现“多自由度量子隐形传态”。

  量子通信,是近年来很热门的一个词汇,但大多数读者对此都是云里雾里。这里我们就来做一点基本的科普。

  什么是“量子”和量子通信

  “量子”不是一种粒子,而是微观世界的一种性质:物质或者粒子的能量和其他一些性质都倾向于不连续的变化。例如,当我们把通常光源发出的一束光通过衰减片进行反复衰减,其能量不断减弱,最后就会成为一份一份不连续的能量颗粒,这样不可分割的最小能量颗粒被称为单光子或光量子。也就是说,光量子是构成光的最基本单元,是光能的最基本携带者,不可分割。

  光在传播的同时还在振动,例如沿水平方向振动或沿竖直方向振动。如果把水平振动状态叫做“0”,竖直振动状态叫做“1”,利用这两个状态就可以加载一个比特的信息。但与经典比特不同的是,光量子比特不但可以处于水平振动状态(“0”)或竖直振动状态(“1”),还可以同时处于这两个状态的一种叠加状态(“0+1”),存在这种所谓的量子相干叠加,就是量子世界与经典世界的根本区别。

  广义地说,量子通信是指利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术。由于利用了量子力学的基本原理,量子通信能够在确保信息安全、增大信息容量等方面,突破经典信息技术的极限。量子通信内涵很广泛,量子隐形传态、量子保密通信、量子密集编码等都属于量子通信范畴,而量子保密通信是目前最接近实用化的量子信息技术。

  量子保密通信为何不可破解

  信息的安全传送是千百年来人类的梦想之一,然而经典信息很容易被窃取,因此保障通信安全的主要方法就是对信息进行加密。人们已经发展了各种各样的经典密码和加密算法,它们主要是利用计算的复杂性来确保通信安全——窃听者在没有破解密钥的情况下,在有限的时间内无法完成破译所需的大量计算。

  但是,数学的不断进步,可能使得一些现在看起来无法利用数学方法破解的加密解密算法在未来得以破解。更为严峻的是,计算能力的提升速度和潜力,已远远超过了人们最初的想象,经典密码加密技术对于通信安全的保障,也显得远非预期那样可靠。

  量子通信系统的问世,重新点燃了建造安全的通信系统的希望。

  量子相干叠加会带来奇特的量子特性。例如,对于一个未知状态的单光子,要想精确复制它的状态是不可能的,这称为量子不可克隆原理。这是因为,若要对单光子的状态进行复制,就要首先对其进行测量,但量子相干叠加决定了测量会对单光子的状态产生扰动,因此无法获得其状态的精确信息,也就无法实现对其状态的精确复制。单个光量子不可分割和量子不可克隆原理这些量子世界的奇特性质,保证了量子保密通信的安全性。

  在量子保密通信过程中,发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。由于单光子不可分割,窃听者无法将单光子分割成两部分,让其中一部分继续传送,而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。又由于量子测不准原理和不可克隆定理,窃听者无论是对单光子状态进行测量或是试图复制之后再测量,都会对光子的状态产生扰动,从而使窃听行为暴露。理论表明,通信双方只要按照协议产生了密钥,就一定是安全的。

  建立量子通信网络已有途径

  1984年,美国ibm公司的bennett和加拿大蒙特利尔大学的brassard共同提出了第一个量子密码通信方案,即著名的bb84方案,标志着量子通信领域的诞生。但在早期阶段,量子通信的安全通信距离只有10公里量级,不具有实用价值。

  2005年,华人科学家王向斌、罗开广、马雄峰和陈凯等人,共同提出了基于诱骗态的量子密钥分发实验方案,从理论上把安全通信距离大幅度提高到100公里以上。

  虽然采用诱骗态方案在光纤中可以实现城域量子通信网络,但由于光子易被光纤吸收,造成损耗,导致信号在光纤传送的过程中越来越弱;而量子保密通信的安全性正是建立在量子信号不能被复制(所以不能被放大)的基础上。因此仅仅利用光纤难以实现远距离的量子通信。

  为了解决这个问题,有两种可行的途径。一种是利用所谓的“量子中继”,形象化的说法即“量子接力”:将相距较远的通信线路分为数段,每一段的损耗因此较小,然后在量子中继的帮助下,把光子携带的信息一段段如同接力赛一样向前传递。另一种是自由空间单光子传输。这是由于大气对某些波长的光的吸收有限,到了外层空间则几乎没有光损耗,因此可以突破大气层通过卫星的中转实现数千公里甚至是全球化的量子通信。

  总之,发展量子保密通信技术的终极目标,是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络。通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点、通过中继技术实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星与地面站之间的自由空间光子传输和卫星平台的中转实现两个遥远区域之间的连接,是目前条件下实现全球广域量子通信最理想的途径。

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