量子通訊,聽上去是不是很高大上?它是一種借助光子這樣的量子粒子來傳遞信息的技術,可以實現超高速、超安全、超遠距離的通訊。為何它能做到這種呢?
量子糾纏是指兩個或多個量子粒子之間存在一種特殊的聯系,促使它們的狀態互相依賴,無論它們相距多遠量子通訊速度,改變其中一個粒子的狀態,另一個粒子也會立即發生相應的變化。這就好象兩個人之間有一種“心靈感應”,不須要任何訊號傳遞,能夠曉得對方的看法。
愛因斯坦當初把這些現象稱為“鬼魅般的超距作用”,他覺得這是量子熱學的不完備性,由于他認為這違背了數學學的基本原理:沒有任何東西能超過光速。而且后來的實驗證明了量子糾纏是真實存在的,但是沒有違背任何數學定理,只是我們對化學世界的認識還不夠深刻。
量子密碼是指借助量子糾纏和量子不可克隆性等原理來實現信息加密和傳輸的一種形式。它可以保證通訊雙方之間的信息絕對安全,由于任何第三方企圖監聽或干擾通訊就會被發覺,而且破壞原有的信息。
我們可以用一個簡單的事例來說明量子密碼的原理。假定有兩個人,愛麗絲和鮑勃,她們想要進行秘密通訊。她們首先須要通過一個可靠的渠道交換一些糾纏的光子對。每位光子對都有兩個可能的狀態,例如水平偏振光和垂直偏振光,我們可以用0和1來表示。因為光子是糾纏的,所以假如愛麗絲檢測了一個光子的狀態量子通訊速度,她能夠曉得另一個光子的狀態。同樣,假若鮑勃檢測了一個光子的狀態,他也能曉得另一個光子的狀態。
愛麗絲和鮑勃可以用這種光子對來世成一個共享的秘鑰。具體方式是,她們隨機選擇一些光子對進行檢測,并通過一個公開的渠道告訴對方自己檢測的結果。假如她們檢測結果相同,就說明她們選擇了同樣的檢測方法,這么她們就可以把這個結果作為秘鑰的一位。假如她們檢測結果不同,就說明她們選擇了不同的檢測方法,這么她們就可以忽視這個結果,但是舍棄這個光子對。重復這個過程,直至她們生成了足夠長的秘鑰。
愛麗絲和鮑勃可以用這個秘鑰來加密和揭秘她們想要傳遞的信息。例如,她們可以用一種稱作一次一密的方法,就是用秘鑰中的每一位和信息中的每一位進行異或運算,得到加密后的信息。之后,她們可以用糾纏的光子對來傳輸這個加密后的信息。因為光子是不可克隆的,任何第三方企圖復制或檢測光子就會改變光子的狀態,因而被發覺。同時,因為光子是糾纏的,任何第三方企圖干擾光子就會破壞糾纏關系,因而被發覺。為此,愛麗絲和鮑勃可以安全地傳輸她們的信息,而不用害怕被監聽或篡改。
量子通訊是指借助量子密碼等技術來實現信息傳輸和處理的一種通訊方式。它有以下幾個優點:
-安全性高:量子通訊可以保證通訊雙方之間的信息絕對安全,不會被監聽或篡改。
-速率快:量子通訊可以借助光速傳輸信息,但是不須要中繼站或轉換設備。
-距離遠:量子通訊可以借助衛星或中繼站等方法實現跨越臺灣或太空的遠距離通訊。
-容量大:量子通訊可以借助光子的多個自由度(例如偏振光、相位、軌道角動量等)來編碼信息,進而提升信息傳輸的容量。
目前,我國在量子通訊方面早已取得了世界領先的成就。2016年,我國成功發射了世界上第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”,并實現了衛星與地面站之間的量子秘鑰分發和量子遠程傳態等實驗。2017年,我國成功建成了世界上最長的陸地量子通訊干線——京滬干線,并與“墨子號”衛星實現了星地互聯。2020年,我國成功建成了世界上第一個城域量子保密網路——北京-張家口城域網,并與滬寧干線和“墨子號”衛星實現了網路互聯。這種成果標志著我國在建設全球首個星地一體化廣域量子保密網路方面取得了重大突破。
量子通訊是未來通訊的新趨勢,它將為國家安全、經濟發展、社會進步等領域帶來巨大的影響和價值。我們應當捉住這個歷史機遇,推動深化量子科技創新和應用,為建設創新型國家和網路強國貢獻力量。