您所在的位置:首頁 > 集團動態 > 詳情

量子隱形:一個抵達安全通信的終極目標

時間:2019/10/29

量子隱形:一個抵達安全通信的終極目標

? ? 多年以來,人類在通信技術上一直面臨著兩個問題:安全性與時效性。可以說,如何更快,更安全的傳遞信息是通信技術的“終極目標”,但受制于工業技術等原因,始終未能實現。知道二十世紀初,一種全新的通信方式進入了人們的視野——量子通信。
? ? 不同于傳統的通信方式,量子通信打破了原有的技術壁壘,兼顧高時效的同時絕對安全。屬于近二十年發展起來的新型交叉學科,是量子論和信息論相結合的新的研究領域。量子通信系統的問世,重新點燃了建造“絕對安全”通信系統的希望。當我們利用“量子態”來記載信息時,這種奇妙特性就可以保證無人再能窺探那些“不能說的秘密”。“絕對安全通信”人類夢想之路的入口,在量子物理的指引下,又重新顯露在人類的視野之中。
? ? 那么,量子通信是如何實現人類千百年來夢寐以求的通信方式的呢?

量子隱形:讓量子通信成為可能

? ? 1900年,德國物理學家馬克斯·普朗克在論文中首次提到了普朗克輻射定律,量子力學自此誕生,開啟了物理學的新篇章,馬克斯·普朗克也因此榮獲了1918年的諾貝爾物理獎。
? ? 但是,量子力學撲朔迷離,以至于在引入它以后的20年中幾乎沒有什么實質性的進展。直到1993年,六位不同國籍的科學家首次提出了“利用經典與量子相結合“的方法,以此來實現”量子隱形傳送“。
? ? 量子隱形的概念較為晦澀,簡單來講就是:將某一個粒子的未知量子態傳送到另一個地方,把另一個粒子制備到該量子態上,而原來的粒子仍停留在原處。
? ? 在此方案中,事物的狀態分為了兩部分——經典信息和量子信息,分別經過經典通道和量子通道傳遞給接收者。其中,經典信息通過發送者對原物質進行某項測量而獲得,量子信息則是發送者在測量過程中中沒有提取到的其他信息;接收者在獲得了這兩類信息后,就可以制備出原物量子態的完全復制品!因為該過程中傳送的只是原事物的量子態,不是原物本身。甚至可以理解為:發送者對要發送的量子態毫無所知,而接收者是將別的粒子處于原物質的量子態上。而量子通信之所以說絕對安全,得益于糾纏態的非定域性。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識和揭示自然界的神秘規律具有重要意義,同時,通過使用量子態作為信息載體,以量子態的形式在極短的時間內完成海量信息的傳輸,從原則上保證不可破譯的量子保密通信得以實現。
? ? 量子隱形的概念一經提出,立刻引得了世人的廣泛關注。1997年,中國物理學家潘建偉和他國科學家等人合作,實現了世界上首次未知量子態的遠程傳輸——成功地把一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。
? ? 2012年,潘建偉等人在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發,為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定技術基礎,在量子通信領域畫下了濃墨重彩的一筆。各國媒體爭相報道,國際權威學術期刊《自然》重點介紹了這一成果,稱其“有望成為遠距離量子通信的里程碑”、“通向全球化量子網絡”,歐洲物理學會網站、美國《科學新聞》雜志等也進行了專題報道。
? ? 時至今日,量子通信這門課程已逐步從理論走向實驗,并向實用化發展,并且衍生除了諸如量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等學科。成為了國際上量子物理和信息科學的研究熱點。

神奇的量子通信

? ? 在量子力學中,有一個頗為奇妙的現象——量子糾纏:只要兩個粒子處于糾纏態,無論他們相距多遠,只要一個發生變化,另外一個也會瞬間發生變化,這是目前已知宇宙最快速度光速都無法達到的。人們利用這一特點,事先在通信雙方放置一對處于糾纏態的粒子,將具有未知量子態的粒子與發送方的粒子進行聯合測量,接收方的粒子瞬時發生坍塌,變化為某種特定狀態,這種狀態與發送方的粒子坍塌后的狀態相對應,這時再將聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方,接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行逆轉變換,便能得到與發送方完全相同的未知量子態。
? ? 無論是安全性還是高效性,經典通信都無法與之相提并論。首先,因為在量子通信中,生成的密鑰是隨機的,即便黑客竊取了密鑰,也無法得知其真正的含義;另外也是量子通信最為關鍵的一點——高效率。因為被傳輸的未知量子態在測量前處于一種糾纏態,意味著多種狀態共存,一個量子態既可以表示成0,也可以表示成1。假設有7個這樣的量子態,那么同時存在著128個狀態,即128個數字:0—127。光量子通信的進行一次這樣的傳輸,就相當于經典通信方式的128次。而我們在日常生活中使用的帶寬遠遠高于8位,所以量子通信在實際運用的效率是極為驚人的。
? ? 除了上述的優勢外,量子通信還具有很強的抗干擾能力,隱蔽性優越,非常適合某些敏感部門設立通信站點。

量子通信的局限性

? ? 沒有一樣事情是完美無缺的,量子通信技術亦是如此。由于量子通信至今還沒有一個相對完善的體系,種種缺點也逐漸暴露出來。
? ? 1.糾纏態的純度
? ? 若是想達到超遠距離的量子隱形傳輸,就必須保證通信的兩地同時具有最大量子糾纏態。但是在實際情況不比實驗室,存在著類似噪聲,電磁等諸多干擾因素,糾纏態的品質會受到強烈的影響。如何提高量子糾纏態的質量,將會是一個經久不衰的研究課題。
? ? 2.中繼節點的密鑰存儲和轉發存在漏洞
? ? 盡管我們之前提到,量子通信絕對安全。但并不意味這整個量子網絡絕對安全。因為一個網絡中可能從在多條量子鏈路。這其中有許多中繼節點,鑒于量子密鑰的特殊性,目前很難有一種方法來確保密鑰的完整性,而且在轉發上也存在一些令人頭疼的問題,比如說糾纏態對信道長度抖動過于敏感、誤碼率隨信道長度增長過快等,在今天依舊是個難關。
? ? 3.安全性和業務運作的沖突
? ? 著名的密碼學家,信息論創始人香農曾說過:“密鑰真隨機且只使用一次"。雖然在量子通信中密鑰具有不確定性,但是,假設竊聽者一直處于監聽狀態,為了保證整個通信過程,這個過程會被終止。這也是目前業內關于量子通信爭議的尤為激烈的一個環節——在業務和安全之間,二選其一。在沒有找到切實可行的方案之前,這個問題將會一直存在下去。
? ? 千百年以來,通信的絕對安全是人類一直的夙愿。從摩斯電碼到電報、傳真,從移動電話到網絡通信,在今日這個信息技術飛速進步的時代,量子通信的出現似乎讓人們看到了可能,這也標志著人類的通信技術邁入了一個全新的時代。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(來源:資訊大薈萃)