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始于“糾纏”終于安全量子通信讓“竊聽風云”成歷史

來源:新安晚報 2021-02-20 00:37   http://www.avihadaya.com/

量子力學的建立帶來了第一次量子革命,催生了以現代信息技術為代表的第三次工業革命,從根本上改變了人類的生活方式和社會面貌。隨著人類對量子力學的認識、理解和研究不斷深入,以微觀粒子系統為操控對象,借助其獨特物理現象進行信息獲取、處理和傳輸的量子信息技術應運而生,并有望推動第二次量子革命,對未來社會產生本質的影響。量子信息技術主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大領域,其中,量子通信已經成為信息通信技術演進和產業升級的關注焦點之一。

糾纏特性讓一對量子“心靈相通”

一對糾纏量子即使相距遙遠距離,其中一個粒子的行為也會瞬間影響另一個的狀態,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或量子糾纏效應等進行信息或密鑰傳輸,基于量子力學原理保證傳輸安全性,主要分量子隱形傳態和量子密鑰分發兩類。這個過程中,量子的疊加態特性發揮了重要作用,甚至量子糾纏也是多粒子的一種疊加態。

量子糾纏指的是粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響的現象,即使相距遙遠,一個粒子的行為也會影響另一個的狀態。當其中一顆被操作(例如量子測量)而狀態發生變化,另一顆也會即刻發生相應的狀態變化。

這種跨越空間的、瞬間影響雙方的量子糾纏,曾經被稱為“鬼魅似的超距作用”,愛因斯坦曾據此來質疑量子力學的完備性,因為這個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。

物理學家玻姆在愛因斯坦的定域性基礎上,提出了隱變量理論來解釋這種超距相互作用,他認為微觀粒子沒有客觀實在性,只有當人們測量時它們才具有確定的性質。物理學家貝爾通過實驗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,而隱變量理論是錯的。

1984年,IBM的貝內特和蒙特利爾大學的布拉薩德提出了第一個實用型量子密鑰分配系統,被稱BB84方案,正式標志量子保密通信的誕生。

BB84方案的基本原理是,收發雙方的信息可以用光子偏振態表示,假如張三利用隨機偏振發送信息,李四發現并記錄下信息。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選擇的信息部分。

事實上,,BB84方案雖然應用了量子通道,,傳輸的卻仍是經典信息,,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,,直接實現信息的傳遞直接實現信息的傳遞。

比如在經典通信中,張三將需要傳輸的文件經過掃描后得到的信息,通過經典通道傳送給李四,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量子態傳輸給李四。因為要傳輸就必須要測量,但量子態一經測量便發生坍縮,不再是原來的量子態了。

那么,如何在不引起坍縮的情況下,將一個量子態傳輸出去呢?

1993年貝內特等人提出了基于EPR對(總動量總自旋為零的粒子對)的隱形傳態協議,利用兩個經典比特信道和一個纏繞比特實現了一個量子比特的傳輸。這個傳輸過程先是制備兩個有糾纏的量子(粒子)A和B,假如張三和李四各持一個。然后,張三對需要傳送的量子態X和手中的A做“貝爾測量”,確認兩個粒子陷入糾纏。測量后,X的量子態坍縮了,但它的狀態信息隱藏在A中,使A也發生變化,但并非坍縮。

因為A和B互相糾纏,A的變化立即影響B,讓B也發生變化。不過這個時候李四還不能觀察B,直到從經典通道得到張三傳來的信息。

張三將測量結果(即A發生的變化)告訴李四,然后,李四對B進行相應的變換處理,就能使B成為和原來的X一模一樣的量子態。這個傳輸過程完成之后,雖然X坍縮了,但X所有的信息都傳輸到了B上,這個過程就被稱為隱形傳態。

量子隱形傳態中傳遞的量子信息是一種量子態,B粒子獲得A粒子最初的狀態時,A粒子的狀態必然改變。在任何時刻都只能有一個粒子處于目標狀態,所以只是狀態的“移動”,而不是“復制”。

被嚴格證明的無條件安全

根據量子的不可克隆特性,任何竊聽者試圖攔截量子通信時,都會對量子態造成破壞。收發信息雙方只要對比部分密鑰,就能斷定信息是否被截獲。

復制(即克?。┤魏我粋€粒子的狀態前,首先都要測量這個狀態。但是量子態非常脆弱,任何測量都會改變量子態本身,即令量子態坍縮,因此量子態無法被任意克隆。這種量子的不可克隆特性已經經過了數學上的嚴格證明。

竊聽者試圖攔截經典信息時,就會復制這份經典信息。在量子態傳輸過程中,因為無法克隆任意量子態,于是在竊聽者竊聽攔截量子通信的時候,就會銷毀他所截獲到的這個量子態。

正因如此,我們直接傳輸量子比特時,不用建立量子密碼。。量子密鑰的產生過程量子密鑰的產生過程,,同時就是分配過程,,通信雙方同時獲得密鑰通信雙方同時獲得密鑰,,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。。因為光子有兩個偏振方向因為光子有兩個偏振方向,,而且相互垂直而且相互垂直,,所以信息的發送者和接收者,,都可以簡單地選取90度的測量方式或45度的測量方式來測量光子。

得到全部測量結果后,他們之間通過經典信道,如電話、QQ等建立聯系,互相分享各自用過的測量方式,相同的測量方式所對應的二進制比特,就是他們最終生成的密碼。需要注意的是,只有當發送方和接收方所選擇的測量方式相同的時候,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,發送方和接收方只需要拿出一小部分密鑰來對照。如果發現互相有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%。如果發現竊聽,就立刻關閉通信,或重新分配密鑰,直到沒人竊聽為止。

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

超光速通信依舊無法實現

即便量子糾纏速度可超越光速,但這種量子態的改變并不為人類意志所發生變化。具體的信息由一串有序符號構成,這種信息的發送無法超越光的速度。

中國科學家潘建偉帶領其團隊曾在青海做過量子糾纏的速度下限測試,實驗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現超光速通信呢?答案是否定的。

如果把甲乙兩個糾纏粒子放在AB兩地,改變A地的粒子,B地粒子也同時發生相應改變。由于量子力學的非局域性,這種改變只能是隨機的,并不會完全按照人的意愿進行。因為,有效的信息必須是一連串最基本的有序符號構成,如果01011000代表的是一個蘋果的信息,那么我們操縱一個量子糾纏系統,就得迫使它按順序發送0101100這樣的符號。

很可惜,操縱量子得到的結果只是隨機的。這是量子物理最令人困惑的一點:當你知道系統完整狀態,并對系統的其余部分進行測量時,可以通過糾纏獲取系統某一個部分的信息,但是不能從糾纏系統的某個部分創建并發送信息到另一部分。盡管這個想法很聰明,但超光速通信依然是不可能實現的。

量子力學中狀態的變化是瞬時的,在科幻電影中,經常有把人從一個地方瞬間傳送到另一個地方的鏡頭,甚至認為依靠糾纏來實現的量子隱形傳態可以推翻相對論,實現超光速傳輸。

其實,,這也是一種誤解這也是一種誤解。。量子隱形傳態的方案包括若干步,,其中一步是上文中的張三將測量結果其中一步是上文中的張三將測量結果((即AA發生的變化))告訴李四告訴李四,,才能把BB粒子的狀態變成目標狀態。。這個信息需要用經典的通信方式這個信息需要用經典的通信方式,,例如打電話、、發郵件等發郵件等,,速度不能超過光速速度不能超過光速,,所以基于量子糾纏的量子隱形傳態速度也不能超過光速。

據《《科技日報科技日報》

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