潘建伟名言 潘建伟院士通俗解释“量子通信”

来自:中国科普博览 / 我们科学家有话说 —— 

潘建伟院士通俗解释“量子通信”

近日,我国成功发射了世界上首枚量子通信卫星“墨子号”,并且伴随着地面 “京沪干线”的建设完成,将首次实现“天地一体化”的量子通信网络的构建,真正奠定了中国在量子通信领域“老大哥”的地位。

而随着“墨子号”升空,同时也把“量子通讯”这个词推上了热点,但很多人都是知其然而不知其所以然,正如题主所问

当然有!还是来自量子通信领域的大咖——中国科学院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟的亲口表述,让我们一起去看看这个神秘的量子世界

中国科学院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟

量子是构成物质的最基本单元,能量的最基本携带者,不可分割。以我们最熟悉的“光量子”为例,作为光能量的最小单元,不存在“半个光子”。光的能量都是以光量子的能量为单位逐份变化的,并且这种变化不是连续的。在量子物理学的理论体系中,大多数物理量的值都是不连续、离散式地变化的。

这样的观点在提出之初是难以为人所接受的,因为它与经典物理学中物理量都是连续变化的观点是截然不同的。然而,大量的实验事实让科学家们逐渐接受了这一新的理论,并且归纳总结出诸如“量子叠加态原理”、“概率性测量原理”等,建立了现在的量子物理科学。   

量子理论之父普朗克

从摩斯电码到电报、传真,从移动电话到网络通信,通信技术的发展在为人类提供便利的同时也带来了通信安全的隐患。但是量子通信技术的出现,就能够完美地解决信息传输过程中的安全问题,真正做到“绝对”安全。

而量子通信作为绝对安全的信息传送方式,主要体现在光量子的不可分割性上。由于光量子的不可分割性,所以在单光子发射的情况下,窃听者无法采用将光子分成两半,一半用于获得密钥,一半传输给接收方的方式避免被发现。

同时,光量子还具有无法克隆性,因为光子是无法准确测量的,所以更无法被窃听者复制,即无法通过准确测量光子,克隆出一个一模一样的光子从而获取信息。换句话说,在量子通信传输信息的过程中,一旦信息被窃取,就一定会被发现。

另外,随着计算机运算性能的不断提高,以及量子计算机的研制与发展,经典传统的公钥算法(RSA)受到冲击。相较于只能依靠密码长度和复杂性保证安全性的RSA算法而言,量子通信可以真正做到“一次一密”,从而真正实现密码无法被破译。这也是量子通信技术能够实现“绝对安全”的重要理由。

量子通信概念图

三、背后原理:神奇的力量——量子纠缠

量子纠缠现象是量子科学领域最古怪但也是最神奇的性质之一,因为它能够产生“幽灵般的超距离互动”。毫不夸张地讲,也许未来人类能够利用量子纠缠这一特殊性质真正实现“瞬间移动”。

想要理解量子纠缠有多么的诡异,我们通过电子的自旋这一典型的例子来解释。电子的自旋与实际物体的旋转有着巨大的不同,其旋转的状态总是不确定的,直到观测的某个瞬间才能够确定。而量子纠缠理论认为,假设有两个相互纠缠的电子对,即使它们一个在地球一个在月球,二者之间没有任何传输线相连。

如果你在某个时刻观测到其中一个的自旋状态,那么另一个电子在同一时刻的自旋状态也会相应的发生变化。也就是说,如果你对其中一个粒子进行观测,那么你不止是影响了它,你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴,而且这与两个粒子间的距离无关。

二者之间存在的这种奇妙的互动就是量子纠缠,也曾被爱因斯坦称作“幽灵般的超距离互动”。所以,在量子纠缠的帮助下,我们可以将另一个粒子的未知量子态传送到遥远地点,而不用传送这个粒子本身。利用这种诡异的互动,人类也许可以在未来实现科幻电影中的“瞬间移动”。 

 量子纠缠现象

量子科学的世界充满了经典物理学无法解释的神奇现象,但是科学家们正在通过不懈的努力一一验证这些听起来荒谬的理论。

作为量子力学的重要应用,近年来量子通信的飞速发展大大增加了人们对于量子科学的信心;作为量子通信领域的技术强国,中国正在用实力证明,人类渴望的绝对安全通信的梦想即将成为现实。

老实说,“墨子号”的升空真的有一种又拿了金牌的民族自豪感!