06心有灵犀:量子通信
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试听18006心有灵犀:量子通信

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复习一下量子力学的八卦往事。当年薛定谔为德布罗意凑了个波动方程,提出粒子随机出现在各个位置上,以玻尔为代表的“哥本哈根学派”觉着很有创意,于是大旗一挥:上帝在掷骰子,世界是随机。以爱因斯坦为代表的“经典物理学派”觉着,小薛步子太大,扯到蛋了,没本事发现隐藏变量,非说上帝在掷骰子,于是振臂一呼:上帝不掷骰子!


既然物理学家喜欢摇骰子,那咱们就继续拿骰子做比喻。骰子落定之后,点数便确定了,如果现在开,是大,那么以后开,也还是大,无论什么时候开,大就是大。虽然摇骰子的变量非常复杂,但如果把所有变量都确定,比如碰撞角度、骰子弹性、空气阻力、月球引力、地球自转、分子振动……理论上可以预测骰子点数。这就是普罗大众的认知,也是经典物理学派的主张。


哥本哈根学派的意思是,骰子落定之后,点数仍不确定,现在开是大,待会开就可能是小,不同时间开,大小不一样,所以没开之前就叫“叠加态”,点数是随机的,开大开小的概率按照小薛波动方程计算。把“骰子大小”换成“猫的生死”,就变成了大名鼎鼎的“薛定谔的猫”。


在某装置中,如果原子核衰变就触动开关打破毒药,弄死猫;如果原子核不衰变,猫就没事。因为衰变是叠加态,延伸到宏观世界就把猫的生死也描述成了叠加态。


薛定谔的猫还原回物理表述就是:如果只有一个放射性原子,它是否发生了衰变?哥本哈根学派认为粒子的行为是随机的,所以衰变也是随机的。但是,几百年的牛爷理论认为,事物都是在规则支配下精密运行的,随机论让人无法接受,就好比勤勤恳恳的学生突然发现考试“及格”和“不及格”是随机的。


爱因斯坦觉得分分钟就能终结这个话题,于是提出了量子纠缠:假设有2个处于纠缠态的骰子,分别在不同的地方摇,如果两边都不开,那么骰子就处于大和小的叠加态,点数是随机的,一旦其中一个开出的结果是大,那么另一个就算还没开,也会瞬间变成小。也就是说,观察其中一个骰子,会决定另一个骰子的大小,这种瞬间的信息传递速度是超光速的,不符合相对论。爱因斯坦呵呵道:你们总不至于认为世界会这么荒唐吧?


好在那个年代的物理学已经习惯荒腔走板,再出什么奇葩,大家至少不会惊掉下巴。量子纠缠原本是爱因斯坦为经典派请来的打手,结果却帮着哥本哈根派把经典派揍得鼻青脸肿。薛定谔的猫一路高歌猛进,经历了EPR佯谬、贝尔不等式、GHZ定理等等,最终形成了量子信息论!


2000年开始量子信息理论形成独立的学科,标志着量子纠缠开始走向应用。 


量子纠缠的机理是什么呢?举个例子吧,就好像古人学会燧木取火时,完全不知道燃烧的化学反应式。量子纠缠和古代燧木取火是差不多阶段的。


因此呢,虽然观察到了量子纠缠这种“心有灵犀”的关联,但对于本质机理的两眼一抹黑,应用必然是浅层的。其中,量子通信相对靠谱一点点,不过也就是一点点而已。


咱们就以“墨子号”为例,不负责任的胡扯一通。


用于通信的纠缠粒子通常是光子,光子比实物粒子更方便传播,电子、质子在大气层里不可能乖乖跑出很远,很容易和空气分子碰撞。


首先在卫星上制造一对纠缠光子,未测量前,谁也不知道两个纠缠光子谁是1谁是0。我们称之为“未翻牌状态”,就好比骰子在打开之前,点数并不确定,处于大和小的叠加态。


然后把这对光子分别发送给两个地面接收站。


未翻牌的光子很敏感,只要被观察或测量,一言不合就翻牌。如果敌方监听了这个光子,那就等于翻了牌,另一个光子就会自动翻牌,同时接收方就接收不到光子,这对纠缠光子传送失败,属于无效信息。


未翻牌的光子才是好光子,翻过牌就只能扔了,然后再制造一对纠缠光子,再发射,直至接收成功为止。


确定双方都拿到牌了,接着,用特定方法测量纠缠光子,相当于“翻牌”,一旦测量得到一个状态,那么另一端的光子也会瞬间变成与之对应的状态。这样,一个信号就算传输完成了。比如这边测量得到1,那边就肯定是0


然后就不断发牌,不断翻牌,不断剔除无效牌。问题来了,因为翻牌前自己也不知道什么牌,所以翻牌后得到的是无规律的信息,比如你得到了“101010”,对方得到了010101


那怎样才能把无意义的信息变成有意义的?需要一组编码!


某一方根据自己翻牌的情况编码,再把编码规则用传统方法发送给另一方,比如“把前三个数字相加就是答案”。注意,这句话是用传统方法发送的。


接收方按照这个编码规则,就把原本没意义的信息变成了想要的答案。 


通信也就完成了。


整个过程中,“101010”这个随即的信息是通过量子通信(即量子纠缠)完成的,无法截获破译,但编码规则“把前三个数字相加”这个规则是通过传统通信完成,可以被监听,不过仅仅一个编码被截获是没有意义的。


有规律的信息可以被截获,不能被截获的信息没有规律,但把这两者结合就能完成量子通信,没听明白的回头再捋一遍。

量子卫星通信的难点在于“制造纠缠光子”和“探测纠缠光子”。


光子的发射方向性很强,不像电磁波是巨大的扇形,所以需要对准接收器。你想想,卫星的速度大约8km/s,在500km高空,同时向相距1200km的两个站发射光子,卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对,地面站以每秒一对的速度从中分辨出谁和谁是纠缠态。


有人打了个比方:从万米高空飞行的飞机上,不断把上亿个硬币准确投入持续旋转的投币口中。另外,你还得在相距上千公里的两地,找出哪两个硬币属于纠缠对。


相比来说,“制备纠缠光子”这事看起来就和燧木取火一样简单了。关键词:非线性晶体BBO偏硼酸钡。当光子打在BBO晶体上,有一定比例的光子被劈成两半,这两个光子的极化方向是相互垂直的。


所谓的极化方向可以理解为光子振动的方向。我们知道光是一种电磁波,是波就有振动,有振动就有方向,所谓纠缠光子,就是一个竖着振动,一个横着振动,一个代表1,一个代表0。“翻牌”前,不知道谁是横的,谁是竖的,翻牌之后发现自己是竖的,那么对方就是横的,以此代表信息里的10

一束光其实就是一堆堆的光子,量子通信在形式上和手电筒打信号差不多,你在太空亮手电筒,我在地面数几长几短。所以量子通信的弊端非常明显,比如,光信号的损失,此前国内外地面实验的量子纠缠分发距离一直停留在百公里量级。再比如,白天背景光线强烈,只能在晚上打信号,遇到雨天雾霾也不行,必须在晴天打信号。还比如,卫星与各地面站距离很讲究,打信号的时间窗口可能只有几百秒。


量子光纤


光子可以用卫星传播,也可以用光纤传播,这方面的应用其实已经很多了。2004年,奥地利银行利用量子通讯技术,把一张重要支票被从市长处传至银行,2007年,瑞士全国大选的选票结果也采用了量子通信技术。虽然有点扯蛋,但也说明量子通信并没有想象中那么科幻。


量子光纤的问题在于传输衰减更严重,纠缠光子信号又无法复制放大,导致传输距离和容量都有限,常年停留在百公里量级。不过光纤好歹不受天气影响,比卫星更有实用性。突破距离限制的核心技术在于可信任量子密钥中继站。


无论是卫星还是光纤,从量子通信的原理上看,实质上就是量子密钥分配技术,并不传输实质内容。有人认为密钥分配可以统称为通信,而也有人认为通信务必要传输内容,量子通信不属于真正的通信,这块有不小的争议。


看得出来,量子通信即便成功了,只是相当于一套超级牛逼的加密技术,而不是大家认为的无所不能的瞬时通讯,但实际上,现在的加密技术已经很出色了,在加密和破解的较量中,加密技术还是处于上风的。相比来说,量子通信段应用价值显然无法和量子计算机相提并论,因此相关研究也不如量子计算机火热。


总的来说,量子力学的第二战场可比新材料那个正面战场艰难多了,无论是量子计算机,还是量子通信,几乎全是鏖战状态。


关于量子技术的新闻时不时还会刷个屏,一副欣欣向荣的趋势,但这并不代表人类在与自然争斗的战场上高歌猛进,相反,它可能是人类对现存理论物理的最后一点应用开发了。


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