量子通訊真的超光速了?量子隱形傳態真的能瞬移粒子嗎…


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量子通訊真的超光速了?量子隱形傳態真的能瞬移粒子嗎?

雖然在量子力學中還有很多的難題,比如量子糾纏,我們並不知道兩個相互糾纏的粒子怎樣保持內在的聯繫,還有量子的疊加態,我們無法想像處在疊加態中的量子是一個怎樣圖景。

但是這並不妨礙,我們利用它們為我們服務,就像是很少有人能知道汽車的工作原理,照樣一腳油門都能飆車。

今天我們就說下,大家比較關心,也容易產生誤解的三個最前沿的科技,量子保密通訊,量子隱形傳態,量子計算機,這三項技術就直接應用到了量子的疊加態,量子糾纏,這兩個量子力學中最神奇的現象。

先說,量子保密通訊。

在量子保密通訊中,最重要的就是保密兩個字,把保密兩個字直接給扔了,這萬萬不能。

因為丟了保密兩個字,就跟這項技術徹底的背道而馳了,而且還容易讓人產生誤解,認為我們現在正在研製突破光速的通訊方式,尤其是在2017年我國發射的世界上第一顆量子通訊衛星“墨子號”成功的實現了從太空到地面的量子密鑰分發。

不明白的人,還以為成功實現了天對地的超光速通訊。其實不然,就像我上面說的,並不是量子通訊,而是量子保密通訊,或者說具體點就是量子密鑰分發。

這項技術只是用量子的測不准關係,以及疊加態原理,對信息進行加密的一種手段,說白了就是一種量子密碼系統而已,實際上的信息傳遞,還需要依靠經典的通道來進行,依然受到了光速的限制。

再說量子密碼之前,我們先了解下經典的密碼系統,關於信息傳遞的保密技術由來已久,我們最熟悉的就是在諜戰片中,看到的情形。

地下工作者,現在想給潛伏在敵人內部的同事傳遞信息,比如:今晚行動,這四個字,如果直接在紙條上寫出這四個字,要是在中途,或者事後被人截獲、發現,那後果就嚴重了。

所以就需要對“今晚行動”這四個字進行加密,這裡說的加密,並不是把這個紙條放在盒子裡鎖起來,而是變換一種表達形式。

怎樣變化?這就需要傳遞信息的人和接受信息的人事先約定好變換的規則,假如它們約定數字10代表了漢字今,6代表了晚,7代表了行,4代表了動,等等,它們還可以約定很多的數字,代表什麼漢字。這個約定的變換規則就是密碼本,或者說是密鑰。

這樣它們傳遞信息的時候,就只需要在紙上寫一行數字:10、6、7、4,就可以了。把想寫的話,變換成數字。

接受信息的人,通過密鑰就能翻譯出原文,這樣就完成了一次保密通訊。這樣的加密系統,也被稱為對稱密碼系統,或者是私鑰密碼系統。

從私鑰密碼系統這個詞就能看出來,這樣的加密規則,只有接收方和發送方兩個人知道密鑰的形式,不過這種密鑰形式很容易出現漏洞,然後被破解,例如,他倆在經過多次的通訊之後,竊聽的人就能從中很快發現規則,破解它們的密鑰。

而且當他們知道自己的密鑰已經被破解以後,就需要再次約定新的密鑰,而約定的新密鑰在分發的過程中,還有可能被人竊取。所以這種私鑰密碼系統,安全性並不高。

所以就有了非對稱密碼系統,也就是公鑰密碼系統,也就是接收方先弄一個極難破解的專用密鑰,這個密鑰只有它自己一個人知道,然後根據這個專用密鑰,再衍生出一個公開密鑰,他就可以把這個公開密鑰向外公佈給所有人,任何人都可以用這個公開密鑰把信息加密以後,傳送給他。

接受到信息以後,他就可以利用自己的專用密鑰,翻譯出原文。公鑰密碼系統的優點在於,依靠專用密鑰衍生出來的公開密鑰,不怕被竊聽,就是直接公開的,如果沒有專用密鑰,很難破解出原文。

不過,公開密鑰系統的關鍵在於專用密鑰,必須具有絕對的、無條件的安全性,才能保證整個密碼系統不被破解。

這個問題好辦,我們都知道,將兩個質數相乘可以輕鬆地得到一個合數,但是想要將一個合數分解出它的兩個質因數卻比較困難,而且隨著合數位數的增加,這個難度會呈指數級增長。

這就是“大數不可分解性”,我們將15進行質因分解會得到3和5,看起來很簡單,這是因為15只是兩位數,如果我讓你分解10949769651859,懵了吧。

不僅你分解不出來,數學家它也分解不出來,因為目前對於這個問題沒有一個有效的算法,只能一個一個質數去嘗試,這就導致了就算是計算機來算也非常緩慢。

而且每增加一位數,所花費的時間就增加3倍,那麼只要這個大數足夠長,按照目前人類的算力,是無法破解的。

因此,我們就可以把兩個質因數的乘積當作公開密鑰,公佈出去,把兩個質因數當作專用密鑰。這樣就形成了一個安全性非常高的,目前看來無法破解的密碼系統,這也是我們現在常有的加密術,稱為RSA算法。

但是這樣的加密算法依然有漏洞,上面說了,不能破解是因為計算機的算力不足,如果算力大大提高以後,不就威脅到現在全球的信息安全了嗎?

沒錯,當量子計算機誕生以後,算這個輕而易舉,因為量子計算機能夠達到指數級的並行運行,也就是可以同時處理更多的運算,比如利用傳統計算機分解一個250位的數,可能需要幾百萬年,但是量子計算機也許幾分鐘就完事了。

那為什麼量子計算機的效率會這麼高?

因為量子計算機的儲存和邏輯門與傳統計算機完全不同,在傳統的計算機中,一個信息的最小單位就是一個比特,用0或者1來表示,比如讓開關閉合,電子通過就代表1,開關斷開,就是0。

現在計算機讀取信息,獲得了一組數字1010,這就是4個比特的信息,我們知道8個比特代表一個字節,1024字節代表1k,1024K為1兆,等等。

而在量子計算機中,傳統的信息單元就變成了量子比特,那麼什麼可以作為一個量子比特?凡是具有兩個量子態的系統都可以。

比如一個電子它具有的自旋屬性可以處在向上和向下的疊加態當中,它就可以代表一個量子比特,如果我們現在約定自旋向上就代表1,自旋向下代表0,也就是說,一個電子比特可以傳送兩個信息。

而在經典計算機中,一個量子比特只能是1或者是0,也只能傳遞以一個信息。除了電子以外,圓偏振光子也會處在左旋和右旋的疊加態當中,所以它可以作為一個量子比特。

由於一個量子比特可以同時代表兩種信息,所以在量子計算機中可以同時處理2^n個不同的運算。

假如我們現在有500個量子比特,那麼它就可以同時進行2^500個運算,這是一個非常龐大的數字,因此利用量子計算機,再加上特定的算法,破解現在的RSA加密術輕而易舉。

不過,大家不要太過擔心,感覺量子計算機威脅到了現在的信息安全,

目前量子計算機還只是一些躺在實驗室裡的原型機,它跟我們的通用計算機還相差很遠,現在的量子計算機,只是在處理某些特定的問題上展現出了它的優勢,也就是我們常聽說的實現了量子優越性。

而且,就算有了量子計算機,我們的信息依舊安全,畢竟道高一尺魔高一丈,我們的量子加密系統已經走在了量子計算機的前面。

在量子密鑰中,我們利用量子態對信息進行加密,比如單光子的偏振方向,比如垂直方向上的偏振代表信息0,水平方向上偏振代表信息1,如果在傳輸的過程中有人截取了這些光子,那麼它在沒有獲得正確測量這些光子偏振方向的時候,只要對光子進行測量,就會改變光子的量子態。它不僅不能獲得正確的信息,而且還會讓發送者和接收者知道,光子的量子態被改變了,知道信息已經被竊取,放棄本次的通訊。

所以說,量子加密系統是利用物理基本規則的一種加密手段,也就是量子態的“一觸即變”,跟計算機的算力大小沒有任何關係,所以量子密碼具有無條件的安全性,無法被破解。

我國的墨子號,就是現實了這種量子密鑰,天到地之間的分發,分發的過程是以單光子技術來完成的,所以分發的速度也就是光速。

最後,我們說下量子隱形傳態,這才是真正的量子通訊,不過只是在經典通訊的過程中,加入了一個量子通道,總體上來說,傳輸的速度還限制在光速。

雖然速度沒有提高,但是這種通訊方式做到了可以以光速傳遞一個實物。這裡需要注意的是,並不是把一個真實的物體,從空間A,以光速傳遞到了空間B,而是傳遞的是它的量子態,就好像是把這個東西,瞬間的傳送到了遙遠的地方,所以叫量子隱形傳態。

比如在A點有一個電子1,我們現在想將這個電子1傳送到遙遠的地點B,那麼我們首先就要在A點和B點之間搭建一個量子通道,這個量子通道就是兩個相互糾纏的電子E1和E2。

現在在A點將電子1和電子E1進行某種關聯,使得E1的量子態和電子1的量子態完全相同,那麼這時候,處在B點的電子E2的量子態也就發生變化,因為E1和E2是兩個糾纏的量子對。

但是這是B點的人,並不知道A點的人對電子1和電子E1做了怎樣的關聯,所以這時就要通過經典的通道,比如打個電話,A點的人告訴B點的人,它做了怎樣的關聯。

B點的人獲知消息後,然後對E2進行相應的變換,就會使得E2的電子和之前的電子1擁有完全一樣的量子態。那麼這就像是實現了把電子1傳送到了B點,其實是只傳送了它的量子態。

所以,這項通信技術叫量子隱形傳態。

這跟科幻電影中的瞬間傳送並不是一回事,科幻電影的傳送是瞬間的,而量子隱形傳態需要藉助經典通道來進行,科幻電影傳送的是實物粒子,而這里傳送的只是量子態。

那麼量子隱形傳態以後能不能現實,傳送一個實物,比如一個人,把它身體內所有粒子的量子態傳到到遙遠的地方,然後再遙遠的地方把這些具有和人相同量子態的粒子,在組合起來變成一個活生生的人。估計是無法實現,畢竟一個人不僅僅是有微觀粒子組成的,我們還有說不清道不明的意識存在。

好了,說到這裡,整個量子史話就結束了。希望能讓你有所收穫,我就心滿意足了。