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時(shí)政熱點(diǎn)
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始于“糾纏” 終于安全 量子通信讓“竊聽風(fēng)云”成歷史

發(fā)布日期:2021-02-19 信息來源:科技日?qǐng)?bào)

   量子力學(xué)的建立帶來了第一次量子革命,催生了以現(xiàn)代信息技術(shù)為代表的第三次工業(yè)革命,從根本上改變了人類的生活方式和社會(huì)面貌。

  隨著人類對(duì)量子力學(xué)的認(rèn)識(shí)、理解和研究不斷深入,以微觀粒子系統(tǒng)為操控對(duì)象,借助其獨(dú)特物理現(xiàn)象進(jìn)行信息獲取、處理和傳輸?shù)牧孔有畔⒓夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并有望推動(dòng)第二次量子革命,對(duì)未來社會(huì)產(chǎn)生本質(zhì)的影響。

  量子信息技術(shù)主要包括量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量三大領(lǐng)域,其中,量子通信已經(jīng)成為信息通信技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)注焦點(diǎn)之一。

  糾纏特性讓一對(duì)量子“心靈相通”

  一對(duì)糾纏量子即使相距遙遠(yuǎn)距離,其中一個(gè)粒子的行為也會(huì)瞬間影響另一個(gè)的狀態(tài),這種空間影響速度可超越光速,打破了愛因斯坦提出的定域性原理。

  量子通信利用量子疊加態(tài)或量子糾纏效應(yīng)等進(jìn)行信息或密鑰傳輸,基于量子力學(xué)原理保證傳輸安全性,主要分量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩類。這個(gè)過程中,量子的疊加態(tài)特性發(fā)揮了重要作用,甚至量子糾纏也是多粒子的一種疊加態(tài)。

  量子糾纏指的是粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象,即使相距遙遠(yuǎn),一個(gè)粒子的行為也會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)。當(dāng)其中一顆被操作(例如量子測(cè)量)而狀態(tài)發(fā)生變化,另一顆也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。

  這種跨越空間的、瞬間影響雙方的量子糾纏,曾經(jīng)被稱為“鬼魅似的超距作用”,愛因斯坦曾據(jù)此來質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性,因?yàn)檫@個(gè)超距作用違反了他提出的定域性原理,即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速。

  物理學(xué)家玻姆在愛因斯坦的定域性基礎(chǔ)上,提出了隱變量理論來解釋這種超距相互作用,他認(rèn)為微觀粒子沒有客觀實(shí)在性,只有當(dāng)人們測(cè)量時(shí)它們才具有確定的性質(zhì)。物理學(xué)家貝爾通過實(shí)驗(yàn)論證了量子非定域性的存在,向世人證明了量子糾纏是非定域的,而隱變量理論是錯(cuò)的。

  1984年,IBM的貝內(nèi)特和蒙特利爾大學(xué)的布拉薩德提出了第一個(gè)實(shí)用型量子密鑰分配系統(tǒng),被稱BB84方案,正式標(biāo)志量子保密通信的誕生。

  BB84方案的基本原理是,收發(fā)雙方的信息可以用光子偏振態(tài)表示,假如張三利用隨機(jī)偏振發(fā)送信息,李四發(fā)現(xiàn)并記錄下信息。然后,張三在公頻告知李四偏振頻率,雙方按照正確的偏振比對(duì)選擇的信息部分。

  事實(shí)上,BB84方案雖然應(yīng)用了量子通道,傳輸?shù)膮s仍是經(jīng)典信息,而真正的量子通信是將信息編碼在量子比特上,在量子通道上將量子比特從甲方傳給乙方,直接實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。

  比如在經(jīng)典通信中,張三將需要傳輸?shù)奈募?jīng)過掃描后得到的信息,通過經(jīng)典通道傳送給李四,后者可將文件打印出來。然而,張三不可能用這種方式將一個(gè)量子態(tài)傳輸給李四。因?yàn)橐獋鬏斁捅仨氁獪y(cè)量,但量子態(tài)一經(jīng)測(cè)量便發(fā)生坍縮,不再是原來的量子態(tài)了。

  那么,如何在不引起坍縮的情況下,將一個(gè)量子態(tài)傳輸出去呢?

  1993年貝內(nèi)特等人提出了基于EPR對(duì)(總動(dòng)量總自旋為零的粒子對(duì))的隱形傳態(tài)協(xié)議,利用兩個(gè)經(jīng)典比特信道和一個(gè)纏繞比特實(shí)現(xiàn)了一個(gè)量子比特的傳輸。這個(gè)傳輸過程先是制備兩個(gè)有糾纏的量子(粒子)A和B,假如張三和李四各持一個(gè)。然后,張三對(duì)需要傳送的量子態(tài)X和手中的A做“貝爾測(cè)量”,確認(rèn)兩個(gè)粒子陷入糾纏。測(cè)量后,X的量子態(tài)坍縮了,但它的狀態(tài)信息隱藏在A中,使A也發(fā)生變化,但并非坍縮。

  因?yàn)锳和B互相糾纏,A的變化立即影響B(tài),讓B也發(fā)生變化。不過這個(gè)時(shí)候李四還不能觀察B,直到從經(jīng)典通道得到張三傳來的信息。

  張三將測(cè)量結(jié)果(即A發(fā)生的變化)告訴李四,然后,李四對(duì)B進(jìn)行相應(yīng)的變換處理,就能使B成為和原來的X一模一樣的量子態(tài)。這個(gè)傳輸過程完成之后,雖然X坍縮了,但X所有的信息都傳輸?shù)搅薆上,這個(gè)過程就被稱為隱形傳態(tài)。

  量子隱形傳態(tài)中傳遞的量子信息是一種量子態(tài),B粒子獲得A粒子最初的狀態(tài)時(shí),A粒子的狀態(tài)必然改變。在任何時(shí)刻都只能有一個(gè)粒子處于目標(biāo)狀態(tài),所以只是狀態(tài)的“移動(dòng)”,而不是“復(fù)制”。

  被嚴(yán)格證明的無條件安全

  根據(jù)量子的不可克隆特性,任何竊聽者試圖攔截量子通信時(shí),都會(huì)對(duì)量子態(tài)造成破壞。收發(fā)信息雙方只要對(duì)比部分密鑰,就能斷定信息是否被截獲。

  復(fù)制(即克?。┤魏我粋€(gè)粒子的狀態(tài)前,首先都要測(cè)量這個(gè)狀態(tài)。但是量子態(tài)非常脆弱,任何測(cè)量都會(huì)改變量子態(tài)本身,即令量子態(tài)坍縮,因此量子態(tài)無法被任意克隆。這種量子的不可克隆特性已經(jīng)經(jīng)過了數(shù)學(xué)上的嚴(yán)格證明。

  竊聽者試圖攔截經(jīng)典信息時(shí),就會(huì)復(fù)制這份經(jīng)典信息。在量子態(tài)傳輸過程中,因?yàn)闊o法克隆任意量子態(tài),于是在竊聽者竊聽攔截量子通信的時(shí)候,就會(huì)銷毀他所截獲到的這個(gè)量子態(tài)。

  正因如此,我們直接傳輸量子比特時(shí),不用建立量子密碼。量子密鑰的產(chǎn)生過程,同時(shí)就是分配過程,通信雙方同時(shí)獲得密鑰,并不需要第三者信使在中間傳輸。

  量子密鑰分配,就是建立起完全安全的密鑰傳輸通道。因?yàn)楣庾佑袃蓚€(gè)偏振方向,而且相互垂直,所以信息的發(fā)送者和接收者,都可以簡單地選取90度的測(cè)量方式或45度的測(cè)量方式來測(cè)量光子。

  得到全部測(cè)量結(jié)果后,他們之間通過經(jīng)典信道,如電話、QQ等建立聯(lián)系,互相分享各自用過的測(cè)量方式,相同的測(cè)量方式所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制比特,就是他們最終生成的密碼。需要注意的是,只有當(dāng)發(fā)送方和接收方所選擇的測(cè)量方式相同的時(shí)候,傳輸比特才能被保留下來用作密鑰。

  想知道是否存在截獲者,發(fā)送方和接收方只需要拿出一小部分密鑰來對(duì)照。如果發(fā)現(xiàn)互相有25%的不同,那么就可以斷定信息被截獲了。同理,如果信息未被截獲,那么二者密碼的相同率是100%。如果發(fā)現(xiàn)竊聽,就立刻關(guān)閉通信,或重新分配密鑰,直到?jīng)]人竊聽為止。

  正是由于量子不可克隆定理,讓接收方能夠察覺密鑰的錯(cuò)誤,停止密鑰通信,從而也就保證了量子加密信息的絕對(duì)安全性。

  超光速通信依舊無法實(shí)現(xiàn)

  即便量子糾纏速度可超越光速,但這種量子態(tài)的改變并不為人類意志所發(fā)生變化。具體的信息由一串有序符號(hào)構(gòu)成,這種信息的發(fā)送無法超越光的速度。

  中國科學(xué)家潘建偉帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)曾在青海做過量子糾纏的速度下限測(cè)試,實(shí)驗(yàn)表明量子糾纏的速度至少是光速的上萬倍。那么,利用量子糾纏特性能否實(shí)現(xiàn)超光速通信呢?答案是否定的。

  如果把甲乙兩個(gè)糾纏粒子放在AB兩地,改變A地的粒子,B地粒子也同時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變。由于量子力學(xué)的非局域性,這種改變只能是隨機(jī)的,并不會(huì)完全按照人的意愿進(jìn)行。因?yàn)?,有效的信息必須是一連串最基本的有序符號(hào)構(gòu)成,如果01011000代表的是一個(gè)蘋果的信息,那么我們操縱一個(gè)量子糾纏系統(tǒng),就得迫使它按順序發(fā)送0101100這樣的符號(hào)。

  很可惜,操縱量子得到的結(jié)果只是隨機(jī)的。這是量子物理最令人困惑的一點(diǎn):當(dāng)你知道系統(tǒng)完整狀態(tài),并對(duì)系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行測(cè)量時(shí),可以通過糾纏獲取系統(tǒng)某一個(gè)部分的信息,但是不能從糾纏系統(tǒng)的某個(gè)部分創(chuàng)建并發(fā)送信息到另一部分。盡管這個(gè)想法很聰明,但超光速通信依然是不可能實(shí)現(xiàn)的。

  量子力學(xué)中狀態(tài)的變化是瞬時(shí)的,在科幻電影中,經(jīng)常有把人從一個(gè)地方瞬間傳送到另一個(gè)地方的鏡頭,甚至認(rèn)為依靠糾纏來實(shí)現(xiàn)的量子隱形傳態(tài)可以推翻相對(duì)論,實(shí)現(xiàn)超光速傳輸。

  其實(shí),這也是一種誤解。量子隱形傳態(tài)的方案包括若干步,其中一步是上文中的張三將測(cè)量結(jié)果(即A發(fā)生的變化)告訴李四,才能把B粒子的狀態(tài)變成目標(biāo)狀態(tài)。這個(gè)信息需要用經(jīng)典的通信方式,例如打電話、發(fā)郵件等,速度不能超過光速,所以基于量子糾纏的量子隱形傳態(tài)速度也不能超過光速。

 

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