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走近“颠覆性技术”:量子通信能否取代传统通

发布时间:2017-12-04 阅读:

  接近“颠覆性技术”:量子通信能否取代传统通信? - 新闻 - 科学网络

  打个电话,不会被窃听?通过互联网发送机密文件,被他人盗取到现代社会的途中,信息安全面临的问题越来越多。

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  有没有一种安全的方式不能被破译,允许传输的信息是绝对安全可靠的?近年来,量子通信技术的飞速发展使梦想成为现实。

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  问:什么是量子?

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  量子是光子,质子,中子,电子,介子和其他基本粒子的统称,是能量最基本的载体

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  量子是物理世界中最小的,不可分割的基本单位,也是最基本的能量载体。它是光子,质子,中子,电子,介子和其他基本粒子的统称。可以说,整个世界都是由量子构成的。例如,日常生活中的光由大量的光量子组成。

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  量子具有与宏观物理世界不同的奇妙现象,其中最着名的是量子堆积和量子纠缠。

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  量子世界与宏观世界的最大区别在于量子的多种可能状态的迭加。中国科学院上海量化信息与量子技术创新研究所,中国科学技术大学副研究员张文卓表示,这种现象在宏观世界中是可以持续的,也可能不能持续的。在宏观的经典世界里,1是1,2是2.在微观量子世界中,状态可以存在于1和2之间,既不是1也不是2,而是1和2。

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  比如说,这就像孙悟空的虚拟形象手术。一个孙悟空可以一次出现在不止一个地方,每一个孙悟空的化身都像他的迭加。中国科学院院士,中国科学技术大学教授潘建伟解释说,在日常生活中,一个人同时出现在两个地方是不可能的。但在量子世界中,作为一个微观的对象,它可以同时出现在许多地方。

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  所谓量子纠缠,又是量子纠缠的一种表现,指的是两个纠缠量子一旦分离,不管距离有多远,如果其中一个被测量的粒子,其他的粒子会立即改变,而且不需要时间变化。

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  这两个纠缠的量子对就像一对心电图双胞胎,不管它们有多远,只要其中一个发生变化,其他的s就会在一千公里以上状态将会遵循相同的变化,爱因斯坦称之为“鬼”般的超范围效应,潘建伟说这种非局域中所体现的量子纠缠是量子力学最惊人的现象之一。

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  第二个问题:什么是量子通信?

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  量子通信是一种利用量子力学原理来操纵量子态的通信形式,可以有效地解决信息安全问题

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  近年来,随着科学家不断认识量子的惊人特征,实用新技术也逐渐发展起来,量子通信就是其中之一。

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  量子通信是量子信息科学的重要分支。它使用量子力学来控制量子态并在两个位置之间交换信息。它可以完成经典通信无法完成的任务。量子通信是迄今为止被严格证明是无条件和安全的通信的唯一途径,可以有效解决信息安全问题。

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  张文焯说:一般来说,量子通信分为两种,一种是量子密钥分配;另一个是量子隐形传态。前者是利用量子非重复性和随机性的量度来产生量子密码,给传统的数字通信加密;后者是利用量子纠缠直接发送量子比特。量子远距传物旨在用于未来量子计算机之间的通信。

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  那么,量子密钥分配是如何产生量子密码来加密传统通信呢?

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  假设消息发送者A想要与消息接收者B共享量子密码。首先,发送者A需要向B发送单个单光子,随机选择单个光子的状态并记录他自己的随机选择。同时,B也需要随机测量接收到的光子,然后通过经典通信告诉每种测量方法。张文卓说,那么,A测量方式B和自己的随机选择对比,保持同样的光子测量,消除不同。这些留下的光子的结果形成了量子密码学。然后,B可以根据这些密码打开机密信息。

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  量子隐形传态是如何使用量子纠缠来直接发送量子信息?

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  信息的发送者A和接收者B也是一样。这次不是共享密码,而是发送包含量子信息的光子a。

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  张文卓说:首先要准备一对光子纠缠在光子b和c的状态,把b递给发送者的手中,c给收件人B控股。然后,通过他自己手中的一个光子,a和b将发送光子a进行测量,并将测量的方法告诉B B.然后通过这种方法在c的手中进行测量,然后c得到与量子态相同。

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  张进一步解释说:也就是说,我们不需要真正把光子本身传递过来,而是把它的量子态过去准确地传递出去。量子传送使用量子纠缠,接收者B可以在纠缠光子和发送者的测量之后创建原始复制品。

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  第三个问题:为什么保密性很高?

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  量子具有随机性和不可复制性的特点,几乎不可能被破译

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  过去,基于微电子技术的计算机技术极易被窃听。

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  由于传统的通信密钥是基于非常复杂的数学算法,只要通过算法加密,人们就可以通过计算来破解它们。量子通信可以很安全,不被破译和窃听,这在数学上得到了严格的证明。张文卓说。

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  这是如何安全的?这说到量子密钥分配讨论中提到的量子的另外两个性质的随机性和非复制性。

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  量子测量的随机性是什么?

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  张文卓说,在量子力学中,光子可以向一个方向振动,称为极化。由于量子迭加,一个光子可以处于两个量子态迭加的水平和垂直极化状态。此时,如果您在两个方向上都进行测量和测量,则会看到每次测量都会得到一个结果:横向或纵向。测量结果完全是随机的。

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  在日常的宏观世界中,物体的速度和位置一般可以同时准确地测量。如飞机来了,雷达可以是飞机的速度,位置是准确测量的。

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  但在量子世界中,测量可以破坏或改变量子的状态。如果我们测量一个量子的位置,它的速度是不准确的。张文卓说。

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  由于测量量子的状态会产生随机的结果,所以自然不能复制不知道其状态的量子,这是一个量子不可复制的性质。

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  有了这两个特点,量子通信也保证了安全。在量子密码学或量子态转移过程中,如果有人在它上面窃听,由于窃听(测量)它的状态发生变化,并且接收到的密码的误码率显着增加,导致发送者和接收者被警告并停止。 。如果窃听者总是存在于这个频道中,则可以将其发送回另一个没有发现窃听者的频道。张文卓说,由于窃听者及时发现,再加上量子不可复制也使得窃听者无法采取信息复制的方式来获取合法的用户信息,因此量子通信具有很强的保密性。

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  问题4:你能代替传统的沟通吗?

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  这是两种不同的交流形式,量子通信是使传统数字通信更加安全

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  既然量子通讯如此强大,那未来是不是会取代传统的沟通呢?

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  张文卓说:实际上,量子通信的目标并不是要取代传统的数字通信。如量子密钥分配,其本身就是使传统的数字通信更安全,不能独立存在。量子隐形传态完全依赖于量子计算机的发展。只有所有的经典电脑的未来已经被量子计算机所取代,它将完全使用这种通信。然而问题是量子计算机和传统计算机就像核武器和常规武器一样,不可能完全相互替代。未来应该是量子通信与传统通信共同打造世界的综合通信网络。

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  量子通信涉及国家信息和国家安全。这个战略地区已成为发达国家信息技术和产业的重点。

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  量子通信的理论和实验研究早在美国就已经开始,并且首次被纳入国家战略。旨在共同构建量子互联网的欧盟在2015年发布了“量子宣言”,计划发起10亿欧元推动量子通信和量子技术的发展。日本还制定了量子信息技术的长期发展路线图。

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  虽然中国在全球量子通信竞赛中首次出现,但在科学家的不懈努力下,中国现在在量子通信领域实现了超越的局面。

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  潘建伟团队2007年首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发,2016年再次保持最安全距离达到400公里; 2016中国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星; 2017年世界第一个量子通信专线潘建伟正式开放潘建伟表示,他希望到2030年建成一个全球化的广域量子通信网络,在量子计算中有所作为。

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