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始于“纠缠” 终于安全——量子通信让“窃听风云”成历史

来源:科技日报    时间:2021-02-18    

  量子力学的建立带来了第一次量子革命,催生了以现代信息技术为代表的第三次工业革命,从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌。

  随着人类对量子力学的认识、理解和研究不断深入,以微观粒子系统为操控对象,借助其独特物理现象进行信息获取、处理和传输的量子信息技术应运而生,并有望推动第二次量子革命,对未来社会产生本质的影响。

  量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域,其中,量子通信已经成为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一。

  纠缠特性让一对量子“心灵相通”

  一对纠缠量子即使相距遥远距离,其中一个粒子的行为也会瞬间影响另一个的状态,这种空间影响速度可超越光速,打破了爱因斯坦提出的定域性原理。

  量子通信利用量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传输,基于量子力学原理保证传输安全性,主要分量子隐形传态和量子密钥分发两类。这个过程中,量子的叠加态特性发挥了重要作用,甚至量子纠缠也是多粒子的一种叠加态。

  量子纠缠指的是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象,即使相距遥远,一个粒子的行为也会影响另一个的状态。当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

  这种跨越空间的、瞬间影响双方的量子纠缠,曾经被称为“鬼魅似的超距作用”,爱因斯坦曾据此来质疑量子力学的完备性,因为这个超距作用违反了他提出的定域性原理,即任何空间上相互影响的速度都不能超过光速。

  物理学家玻姆在爱因斯坦的定域性基础上,提出了隐变量理论来解释这种超距相互作用,他认为微观粒子没有客观实在性,只有当人们测量时它们才具有确定的性质。物理学家贝尔通过实验论证了量子非定域性的存在,向世人证明了量子纠缠是非定域的,而隐变量理论是错的。

  1984年,IBM的贝内特和蒙特利尔大学的布拉萨德提出了第一个实用型量子密钥分配系统,被称BB84方案,正式标志量子保密通信的诞生。

  BB84方案的基本原理是,收发双方的信息可以用光子偏振态表示,假如张三利用随机偏振发送信息,李四发现并记录下信息。然后,张三在公频告知李四偏振频率,双方按照正确的偏振比对选择的信息部分。

  事实上,BB84方案虽然应用了量子通道,传输的却仍是经典信息,而真正的量子通信是将信息编码在量子比特上,在量子通道上将量子比特从甲方传给乙方,直接实现信息的传递。

  比如在经典通信中,张三将需要传输的文件经过扫描后得到的信息,通过经典通道传送给李四,后者可将文件打印出来。然而,张三不可能用这种方式将一个量子态传输给李四。因为要传输就必须要测量,但量子态一经测量便发生坍缩,不再是原来的量子态了。

  那么,如何在不引起坍缩的情况下,将一个量子态传输出去呢?

  1993年贝内特等人提出了基于EPR对(总动量总自旋为零的粒子对)的隐形传态协议,利用两个经典比特信道和一个缠绕比特实现了一个量子比特的传输。这个传输过程先是制备两个有纠缠的量子(粒子)A和B,假如张三和李四各持一个。然后,张三对需要传送的量子态X和手中的A做“贝尔测量”,确认两个粒子陷入纠缠。测量后,X的量子态坍缩了,但它的状态信息隐藏在A中,使A也发生变化,但并非坍缩。

  因为A和B互相纠缠,A的变化立即影响B,让B也发生变化。不过这个时候李四还不能观察B,直到从经典通道得到张三传来的信息。

  张三将测量结果(即A发生的变化)告诉李四,然后,李四对B进行相应的变换处理,就能使B成为和原来的X一模一样的量子态。这个传输过程完成之后,虽然X坍缩了,但X所有的信息都传输到了B上,这个过程就被称为隐形传态。

  量子隐形传态中传递的量子信息是一种量子态,B粒子获得A粒子最初的状态时,A粒子的状态必然改变。在任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态,所以只是状态的“移动”,而不是“复制”。

  被严格证明的无条件安全

  根据量子的不可克隆特性,任何窃听者试图拦截量子通信时,都会对量子态造成破坏。收发信息双方只要对比部分密钥,就能断定信息是否被截获。

  复制(即克隆)任何一个粒子的状态前,首先都要测量这个状态。但是量子态非常脆弱,任何测量都会改变量子态本身,即令量子态坍缩,因此量子态无法被任意克隆。这种量子的不可克隆特性已经经过了数学上的严格证明。

  窃听者试图拦截经典信息时,就会复制这份经典信息。在量子态传输过程中,因为无法克隆任意量子态,于是在窃听者窃听拦截量子通信的时候,就会销毁他所截获到的这个量子态。

  正因如此,我们直接传输量子比特时,不用建立量子密码。量子密钥的产生过程,同时就是分配过程,通信双方同时获得密钥,并不需要第三者信使在中间传输。

  量子密钥分配,就是建立起完全安全的密钥传输通道。因为光子有两个偏振方向,而且相互垂直,所以信息的发送者和接收者,都可以简单地选取90度的测量方式或45度的测量方式来测量光子。

  得到全部测量结果后,他们之间通过经典信道,如电话、QQ等建立联系,互相分享各自用过的测量方式,相同的测量方式所对应的二进制比特,就是他们最终生成的密码。需要注意的是,只有当发送方和接收方所选择的测量方式相同的时候,传输比特才能被保留下来用作密钥。

  想知道是否存在截获者,发送方和接收方只需要拿出一小部分密钥来对照。如果发现互相有25%的不同,那么就可以断定信息被截获了。同理,如果信息未被截获,那么二者密码的相同率是100%。如果发现窃听,就立刻关闭通信,或重新分配密钥,直到没人窃听为止。

  正是由于量子不可克隆定理,让接收方能够察觉密钥的错误,停止密钥通信,从而也就保证了量子加密信息的绝对安全性。

  超光速通信依旧无法实现

  即便量子纠缠速度可超越光速,但这种量子态的改变并不为人类意志所发生变化。具体的信息由一串有序符号构成,这种信息的发送无法超越光的速度。

  中国科学家潘建伟带领其团队曾在青海做过量子纠缠的速度下限测试,实验表明量子纠缠的速度至少是光速的上万倍。那么,利用量子纠缠特性能否实现超光速通信呢?答案是否定的。

  如果把甲乙两个纠缠粒子放在AB两地,改变A地的粒子,B地粒子也同时发生相应改变。由于量子力学的非局域性,这种改变只能是随机的,并不会完全按照人的意愿进行。因为,有效的信息必须是一连串最基本的有序符号构成,如果01011000代表的是一个苹果的信息,那么我们操纵一个量子纠缠系统,就得迫使它按顺序发送0101100这样的符号。

  很可惜,操纵量子得到的结果只是随机的。这是量子物理最令人困惑的一点:当你知道系统完整状态,并对系统的其余部分进行测量时,可以通过纠缠获取系统某一个部分的信息,但是不能从纠缠系统的某个部分创建并发送信息到另一部分。尽管这个想法很聪明,但超光速通信依然是不可能实现的。

  量子力学中状态的变化是瞬时的,在科幻电影中,经常有把人从一个地方瞬间传送到另一个地方的镜头,甚至认为依靠纠缠来实现的量子隐形传态可以推翻相对论,实现超光速传输。

  其实,这也是一种误解。量子隐形传态的方案包括若干步,其中一步是上文中的张三将测量结果(即A发生的变化)告诉李四,才能把B粒子的状态变成目标状态。这个信息需要用经典的通信方式,例如打电话、发邮件等,速度不能超过光速,所以基于量子纠缠的量子隐形传态速度也不能超过光速。

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