解读NFT项目6529:推广开放
量子通信简介,量子通信是什么意思
引言
量子通信是什么意思? 到底有什么厉害之处?
量子计算机又是什么?为什么量子计算机是破解密码的终极武器?
几个月前,因为一次偶然的机会我接触了一本量子力学、量子通信的入门书籍,写得非常通俗易懂、幽默风趣。今天给大家分享的内容就来自这本书啦。
一、光的波粒二象性
说到主题之前,先谈一谈光的波粒二象性。
光是一种波还是一种粒子?一派是以惠更斯、麦克斯韦、赫兹等为代表的波派,一派是以爱因斯坦为代表的” 粒子派 “ ,两派斗争了非常久。光是一种波,这个非常好理解,因为光的干涉、衍射等现象很常见,大家都容易理解光是一种类似水波、电磁波一样的波
。那么,爱因斯坦为啥会认为光是一种 “粒子” 呢?这得多亏 “光电效应” 这个实验,让爱因斯坦想到了答案。 (这个推理简单易懂,不展开说明,可以看书或百度)
那么到底哪一派获胜了呢?为了揭开谜团,科学家们做了很多实验( N 个版本的双缝干涉实验) ,想看看光到底是波还是粒子。
实验有 N 个版本,大家在物理课上学到的版本是最简单的版本,因为光具有波
特性,经过 2 条缝之后,由于波的干涉,在最后的显示板上形成了” 斑马线 “样的干涉条纹。
科学家们再对实验进行升级,实验中的光变成一个一个光子打出。假设光是一种粒子,那么 1 个光子只能从一条缝穿过, 这样最终出现的就应该是 2 条杠,而不是斑马线
状的干涉条纹。那么实际结果如何呢?
实验结果是:有时是斑马线,有时候是 2 道杠。这个结果,和你的 “观察姿势” 有关。假如你的实验装置能精确获取光子的路径信息,那么最终是 2 条杠。否则,实验结果就是斑马线。很反直觉对吗?像我们这种从小只学经典物理的普通人(甚至是爱因斯坦大神)觉得很难想象对吗?
所以量子力学的世界里,我们的思维方式就得改一改了。下面先给出波尔(堪称量子力学代言人)总结的量子世界 3 大基本原则:
- 1)态叠加原理
- 2)测不准原理:叠加态不可能精确测量 (粒子的位置与动量不可同时被确定,位置的不确定性越小,则动量的不确定性越大,反之亦然。)
- 3)观察者原理(只要光子的路径信息” 可以被精确测量 “的环境下,它就会自动坍缩,不能同时穿过 2 条缝了)
讲了这么多还没有讲到量子通信,不过很快就要讲到了!
二、量子纠缠和量子通信
上面主要说的是一个一个的量子,下面要隆重出场的是一对量子
(或者叫孪生粒子
,或者叫纠缠态的一对量子
),量子纠缠才是加密通信的终极武器。
这里说的” 一对量子 “ 是怎么造出来的? – 可以用粒子对撞机,两束粒子相撞,一个母粒子分裂成两个更小的粒子 A 和 B。A 和 B 动量大小相等,方向相反,A 和 B 的角动量(类似自旋)也得相互抵消。如果说自旋态有上、下的定义区分(想象为顺时针、逆时针)。那么,根据量子理论,在不被观测的情况下,粒子处于多种可能性的叠加态。即:不是向上,也不是向下,而是两者并存!观测之后,两个粒子(A、B)之间才有上下之分,保持阴阳平衡,就算 A 和 B 相隔十万八千里,这种纠缠关系
也会存在。这个就是量子纠缠。
这一对量子,就好比一对魔法硬币,不管千山万水,只要一枚硬币翻到正面朝上,另一枚一定会瞬间变成反面朝上。(超距作用
)
这能为我们干点啥呢?如果把上面的量子 A 和 B 放在通信的两端。请看下面的 3 个步骤:
- 1)量子 A (想象成硬币)抛出
反正正反
,量子 B 收到相反值,很容易就知道 A 发出的是反正正反
— 这个就是对称密钥 -
- A 端的人用微信给 B 端的人补发一串同长度的纠错码
错对对错
— 这个就是密文
- A 端的人用微信给 B 端的人补发一串同长度的纠错码
- 3)B 端的人得到了有用的信息
正反反正
(可能翻译过来就是:明天偷袭珍珠港)— 这个就是明文
这个过程就是大名鼎鼎的量子通信了。
以前你可能以为量子通信一定超快,现在知道了,它不是快,微信传输的延时几秒,它就要延时几秒。它的威力在于加密!而且无条件安全的加密!
什么是绝对安全的加密,需要具备 3 大条件(香农证明过的):
- 1)随机加密
- 2)明文密文等长
- 3)一次一密
这 3 个条件量子通信都满足了(不信你再看看)。
“无条件安全的加密”,听起来很牛是不是,别急,量子通信还有更牛的 —— 它具有反窃听属性:
它能发现窃听者,而且,窃听者不知道被我发现了!
所以量子通信不怕窃听,也不怕破解,它只怕干扰。(比如,用强激光照射接收器)
好了,量子通信的就是这么简单又厉害。