量子通信入门
引言
量子通信是什么意思?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?
今天和大家分享量子力学、量子通信的内容。
01.
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?多亏 “光电效应” 这个实验,让爱因斯坦想到了答案。
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(双缝干涉实验等) ,想看看光到底是波还是粒子。
实验有 N 个版本。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。
但实验结果是:有时是斑马线,有时候是 2 条杠。这个结果,和 “观察姿势” 有关。假如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。
所以量子力学的世界里,我们的思维方式就得改一改了。
量子世界三大基本原则:
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 条杠了)
02.
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)
这对我们有什么用呢?
如果把上面的量子 A 和 B 放在通信的两端。请看下面 3 个步骤:
01
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
02
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
03
B 端的人得到了有用的信息“正反反正” — 这个就是明文
以上过程就是大名鼎鼎的量子通信。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,需要具备三大条件:
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。
在此之上,量子通信还有更厉害的 —— 它具有反窃听属性。能发现窃听者,而且,窃听者不知道自己被发现了。所以量子通信不怕窃听,也不怕破解,只怕干扰。(比如,用强激光照射接收器)
再来看看我们熟知的加密方法:
1)传统的对称加密 – 缺点:密码本泄露
2)非对称加密(如 RSA) - 缺点:算力,且能被破解(超级计算机曾经用几个月的时间破解)
量子计算机为啥快?
量子计算机加速的根源在于量子叠加态的存在,在经典计算中,N 位比特的 CPU 在同一时刻只能存储一种状态,但在量子计算中,N 位量子比特的 CPU 在同一时刻可以同时保存 2^N 个状态。所以,量子计算机的恐怖性能完全来源于并行,而非某种绝妙的算法。
——本文观点分享自《猫、爱因斯坦和密码学 - 我也能看懂的量子通信》
作者:神们自己
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05
CITA 2.0 正式发布
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