多年以来,人类在通讯技术上仍然面临着两个问题:
可以说,怎样更快量子传输技术,更安全的传递信息是通讯技术的“终极目标”,但受制于工业技术等诱因,仍然无法实现。晓得二十世纪初,一种全新的通讯方法步入了人们的视野——量子通讯。
不同于传统的通讯方法,量子通讯打破了原有的技术壁垒,兼具高时效的同时绝对安全。属于近二六年发展上去的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通讯系统的问世,重新燃起了建造“绝对安全”通信系统的希望。当我们借助“量子态”来记载信息时,这些奇妙特点就可以保证无人再能探知这些“不能说的秘密”。“绝对安全通讯”人类梦想之路的入口,在量子化学的指引下,又重新展现在人类的视野之中。
这么,量子通讯是怎样实现人类千百年来梦寐以求的通讯方法的呢?
量子隐型:让量子通讯成为可能
1900年,俄罗斯化学学家马克斯·普朗克在论文中首次提及了普朗克幅射定理,量子热学从此诞生,开启了化学学的新篇章,马克斯·普朗克也因而入选了1918年的诺贝尔化学奖。
量子热学之父——普朗克
然而,量子热学扑朔迷蒙,以至于在引入它之后的20年中几乎没有哪些实质性的进展。直至1993年,六位不同国籍的科学家首次提出了“利用精典与量子相结合“的方式,借此来实现”量子隐型传送“。
量子隐型的概念较为隐晦,简单来讲就是:将某一个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原先的粒子仍逗留在原处。
在此方案中,事物的状态分为了两部份——经典信息和量子信息,分别经过精典通道和量子通道传递给接收者。其中,精典信息通过发送者对原物质进行某项检测而获得,量子信息则是发送者在检测过程中中没有提取到的其他信息;接收者在获得了这两类信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品!由于该过程中传送的只是原事物的量子态,不是原物本身。甚至可以理解为:发送者对要发送的量子态毫无所知,而接收者是将别的粒子处于原物质的量子态上。而量子通讯之所以说绝对安全,得益于纠缠态的非定域性。量子隐型传态除了在数学学领域对人们认识和阐明自然界的神秘规律具有重要意义,同时,通过使用量子态作为信息载体,以量子态的方式在极短的时间内完成海量信息的传输,从原则上保证不可破译的量子保密通讯得以实现。
量子隐型的概念一经提出,立即引来了世人的广泛关注。1997年,中国化学学家潘建伟和他国科学家等人合作,实现了世界上首次未知量子态的远程传输——成功地把一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。
2012年,潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐型传态和纠缠分发,为发射全球首颗“量子通信卫星”奠定技术基础,在量子通讯领域画下了浓墨工笔的一笔。各国媒体争相报导,国际权威学术刊物《自然》重点介绍了这一成果,称其“有望成为远距离量子通讯的里程碑”、“通向全球化量子网路”,法国数学学会网站、美国《科学新闻》杂志等也进行了专题报导。
时至今日,量子通讯这门课程已逐渐从理论迈向实验,并向实用化发展,但是衍生不仅比如量子密码通讯、量子远程传态和量子密集编码等学科。成为了国际上量子化学和信息科学的研究热点。
神奇的量子通讯
在量子热学中,有一个颇为奇妙的现象——量子纠缠:只要两个粒子处于纠缠态,无论她们相距多远,只要一个发生变化,另外一个也会顿时发生变化,这是目前已知宇宙最快速度光速都难以达到的。人们借助这一特性,事先在通讯双方放置一对处于纠缠态的粒子,将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合检测,接收方的粒子瞬时发生爆燃,变化为某种特定状态,这些状态与发送方的粒子倒塌后的状态相对应,这时再将联合检测的信息通过精典信道传送给接收方,接收方按照接收到的信息对倒塌的粒子进行逆转变换,便能得到与发送方完全相同的未知量子态。
无论是安全性还是高效性,精典通讯都未能与之相提并论。首先,由于在量子通讯中,生成的秘钥是随机的,尽管黑客盗取了秘钥,也难以得悉其真正的含意;另外也是量子通讯最为关键的一点——高效率。由于被传输的未知量子态在检测前处于一种纠缠态,意味着多种状态共存,一个量子态既可以表示成0,也可以表示成1。假定有7个这样的量子态,这么同时存在着128个状态,即128个数字:0~127。光量子通讯的进行一次这样的传输,就相当于精典通讯形式的128次。而我们在日常生活中使用的带宽远远低于8位,所以量子通讯在实际运用的效率是极为惊人的。
不仅上述的优势外,量子通讯还具有很强的抗干扰能力,隐蔽性优越,特别适宜个别敏感部门筹建通讯站点。
量子通讯的局限性
没有一样事情是完美无缺的,量子通讯技术亦是这么。因为量子通讯至今还没有一个相对健全的体系,种种缺点也渐渐曝露下来。
1.纠缠态的含量
若是想达到超远距离的量子隐型传输,就必须保证通讯的两地同时具有最大量子纠缠态。并且在实际情况不比实验室,存在着类似噪音,电磁等众多干扰诱因,纠缠态的品质会遭到强烈的影响。怎么提升量子纠缠态的质量,将会是一个经久不衰的研究课题。
2.中继节点的秘钥储存和转发存在漏洞
虽然我们之前提到,量子通讯绝对安全。但并不意味这整个量子网路绝对安全。由于一个网路中可能从在多条量子链路。这其中有许多中继节点,鉴于量子秘钥的特殊性,目前很难有一种方式来确保密钥的完整性,并且在转发上也存在一些令人头痛的问题,例如说纠缠态对信道宽度晃动过于敏感、误分辨率随信道宽度下降过快等,在明天依然是个难关。
3.安全性和业务运作的冲突
知名的密码学家,信息论创始人香农曾说过:“密钥真随机且只使用一次"。即使在量子通讯中秘钥具有不确定性,然而,假定监听者仍然处于窃听状态,为了保证整个通讯过程,这个过程会被中止。这也是目前业内关于量子通讯争议的尤为激烈的一个环节——在业务和安全之间,二选其二。在没有找到着力可行的方案之前,这个问题将会仍然存在下去。
千百年以来,通讯的绝对安全是人类始终的宿愿。从摩斯电码到电报、传真,从联通电话到网路通讯量子传输技术,在明日这个信息技术急速进步的时代,量子通讯的出现虽然让人们看见了可能。这也标志着人类的通讯技术步入了一个全新的时代。
