四問量子通信(關(guān)注·走近“顛覆性技術(shù)”②)
打個電話，會不會被竊聽？通過網(wǎng)絡(luò)傳送一份保密文件，途中被他人竊取咋辦……現(xiàn)代社會，信息安全面臨的問題越來越多。
有沒有一種不可破譯的保密方式，能讓傳送的信息絕對安全可靠？近些年來，量子通信技術(shù)的飛躍發(fā)展正讓夢想成為現(xiàn)實。
一問：什么是量子？
量子是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱，是能量的最基本攜帶者
量子是物理世界里最小的、不可分割的基本單元，是能量的最基本攜帶者。它是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱。可以說，整個世界都是由量子組成的。比如，日常生活中的光，就由大量光量子組成。
量子有不同于宏觀物理世界的奇妙現(xiàn)象，其中最為著名的就是量子疊加和量子糾纏。
“量子世界跟宏觀世界最大的區(qū)別，就是量子有多個可能狀態(tài)的疊加態(tài)。”中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院副研究員張文卓說，“這種現(xiàn)象在宏觀世界里是存在不了也無法維持的。在宏觀的經(jīng)典世界里，1就是1，2就是2。而在微觀的量子世界中，一個狀態(tài)可以存在于1和2之間，它既不是1，也不是2，但它既是1，又是2。”
“打個比方吧，這就好比孫悟空的分身術(shù)。一個孫悟空可以同時出現(xiàn)在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態(tài)。”中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉解釋道，“在日常生活中，一個人不可能同時出現(xiàn)在兩個地方。但在量子世界里，作為一個微觀的客體，它能夠同時出現(xiàn)在許多地方。”
而所謂量子糾纏，也是量子疊加的一種表現(xiàn)，是指兩個處在糾纏態(tài)的量子一旦分開，不論分開多遠，如果對其中的一個粒子測量，另一個粒子就會立即發(fā)生變化，且是不需要時間的變化。
“這兩個糾纏在一起的量子就好比是一對有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩人距離多遠，千公里量級或者更遠，只要當(dāng)其中一個人的狀態(tài)發(fā)生變化時，另一個人的狀態(tài)也會跟著發(fā)生一樣的變化。愛因斯坦稱之為‘幽靈般的超距作用’。”潘建偉說，“量子糾纏所體現(xiàn)的這種非定域性是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一。”
二問：什么是量子通信？
量子通信是利用量子力學(xué)原理對量子態(tài)進行操控的一種通信形式，可以有效解決信息安全問題
近年來，隨著量子的各種奇妙特性被科學(xué)家不斷認識，實用的新技術(shù)也被逐漸開發(fā)出來，量子通信就是其中之一。
量子通信是量子信息學(xué)的一個重要分支，它利用量子力學(xué)原理對量子態(tài)進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務(wù)。量子通信是迄今唯一被嚴格證明無條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問題。
張文卓說：“通常來講，量子通信分為兩種，一種是量子密鑰分發(fā)；另外一種是量子隱形傳態(tài)。前者是利用量子的不可復(fù)制性以及測量的隨機性來生成量子密碼，給傳統(tǒng)的數(shù)字通信加密；而后者則是利用量子糾纏直接傳送量子比特。量子隱形傳態(tài)是為了給未來的量子計算機之間的通信使用。”
那么，量子密鑰分發(fā)是如何生成量子密碼來給傳統(tǒng)的通信加密的？
“假如，信息發(fā)送者甲想和信息接收者乙共享量子密碼。首先，發(fā)送者甲需要把一個個獨立的單光子發(fā)送給乙，一邊發(fā)一邊隨機地選擇單光子的狀態(tài)，并把自己的隨機選擇方式記錄下來。同時乙也需要把收到的光子隨機地測量一遍，然后把每個測量方式通過經(jīng)典通信方式告訴甲。”張文卓說，“接下來，甲把乙的測量方式和自己的隨機選擇方式做對比，保留測量方式相同的光子，去掉不同的。留下的這些光子的測量結(jié)果，就構(gòu)成了量子密碼。然后，乙就可以依據(jù)這些密碼打開保密信息。”
量子隱形傳態(tài)又是如何利用量子糾纏直接傳送量子信息的？
同樣是信息發(fā)送者甲和接收者乙。這次不是共享密碼了，而是要發(fā)送包含量子信息的光子a。
張文卓說：“首先得制備出一對處在量子糾纏態(tài)的光子b和c，把b交到發(fā)送者甲手里，把c給接收者乙‘拿著’。然后，甲通過自己手中的光子b和這個想要發(fā)送的光子a一起做測量，并把測量方法告訴乙。乙再通過這種方法測量手中的c，這時的c已經(jīng)擁有了與a同樣的量子信息態(tài)。”
張文卓進一步解釋：“也就是說，我們并不需要真的傳遞光子a本身，而是把它的量子態(tài)精確傳送過去。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏，接收者乙在擁有糾纏態(tài)的光子和發(fā)送者甲的測量方法后，可以制造出原物的完美復(fù)制品。”
