被外國科學家們「覬覦」的量子通信,我們發展到了什麼階段?

2020-12-22 寰宇日誌

5G的硝煙還沒散去,甚至大部分人到現在還沒體驗過5G。量子通信又登上全球競技臺,在全球物理學家還沒搞清楚量子力學的時候,我們已經發射了全球第一個量子衛星 墨子號。在量子領域我們做到了獨步全球,讓很多西方物理學家求分享,感慨自己國家為什麼不發展量子通訊。

那這個量子通訊到底是什麼?

為什麼我們身邊沒感受到,難不成是一個雞肋的噱頭,今天就來解密中國領先的量子通訊。

所謂量子,在物理學就是一個單位,即不能再分割的最小單位,由德國物理學家M·普朗克發現,普朗克是量子力學開創者。和愛因斯坦並稱為20世紀最偉大的物理學家,並且比愛因斯坦要早,給了愛因斯坦很多靈感,也算是神人一個。

普朗克發現能其實是不連續的,而是由若干個部分組成,量子就是基本單位,光的量子就叫做光子。例如一束雷射,能量就是光子的整數倍 這個倍數就是頻率,牛頓經典力學無法解釋微觀的物理現象,但是量子力學可以,當然並不是說宏觀就是牛頓力學 微觀就是量子,而是世界的本質就是量子的。

但是在微觀領域,人們更容易感受到量子的存在。牛頓的經典力學在量子物理學家眼裡,就是量子在宏觀世界的一種近似值。方便計算,例如宏觀的超導 超流 半導體都是經典的量子現象,因此想要引領未來的科技,量子力學是目前新的大門,要了解量子通信,還得繼續深挖一下這個量子糾纏。

量子理論最有意思的地方就是量子糾纏,一個量子發生狀態上的改變,無論多近還是多遠,都會有一個相同的量子發生同樣狀態的改變。被愛因斯坦稱為鬼魅般的超距相互作用。因為量子糾纏違反了相對論中對於信息傳遞所設定的速度極限。無限遠的距離都可以產生聯繫,但是光速又是有上限的。

目前對於量子糾纏最簡單易懂的解釋是,一個封閉箱子內有兩個電子A B,電子的狀態,可能上旋,可能下旋,所以紙箱內有四種情況。AB都上旋 AB都下旋,A上B下 A下B上,但是電子有一個特性,一旦距離足夠近就會產生疊加,變成相反的狀態。如果A是上旋,那麼B就會變成下旋,此後無論分得多遠 都是這樣。如果你不觀測,那麼A和B誰上旋誰下旋都不好說,這就是糾纏。如果A或者B的一方被觀測到狀態,那麼糾纏打破,成為獨立的兩個電子。

這裡很多人認為這樣就能實現超遠距離瞬間通訊,不好意思,目前的量子通訊還得依靠普通通訊手段,傳遞製備的糾纏光子。所以沒辦法做到超光速體驗,因為在千裡之外手握B電子的人,看到的B可能是上旋可能是下旋。沒辦法由A進行控制,所以實現不了信息傳輸,當下量子通訊的意義就是對信息進行加密,對於很多行業來說,保密比快更重要。

關於量子通訊如何實現保密通訊

上世紀末期很多科學都在為了證明量子糾纏。而不懈努力,但是大部分實驗都是漏洞百出,沒辦法證明,但是這些科學下的實驗都為量子通訊打下了基礎,量子密碼學蓬勃發展。

1995年量子糾纏通訊在歐洲被實踐成功,全球量子通訊競賽開始,在國外科學家理論研究的技術上,中國科學家接過量子應用的大旗,中國科學家發現,光子在光纖中,無法放大量子通訊訊號,但是在真空中光線傳播不受限制。所以需要一顆中轉衛星。

2016年8月份,在酒泉衛星發射中心,長徵二號丁運載火箭將墨子號量子衛星送上了太空,至於為什麼叫墨子號。因為墨子是第一個提出光是沿直線傳播的人,墨子號衛星就可以當成一個放大版的量子糾纏實驗。實驗距離達到了1200公裡並且獲得通訊成功。也就是說兩個間隔1200公裡的量子實現了互動,首條量子通信骨幹網絡京滬幹線,也已經實現了6點間的洲際量子通信視頻會議。除了在中國本土東南西北設置了四個地面接收站,並且在維也納和格拉茨設置了地面站,和海外科學家分享實驗成果。

要說量子通訊和傳統通訊有什麼不同,那就是量子通訊有著絕對的信息安全,因為量子除了具有不可分割性,還具有不可克隆性。簡單點說,就是竊取一個信息,肯定要先複製它。但是量子通訊一旦被幹擾,就會改變狀態,也就是坍塌,雙方的人就知道自己的通訊被監聽了,例如利用量子糾纏製備秘鑰,一旦這個秘鑰被監聽,那原來的密鑰宣布失效。信息傳出方自然不會用這套秘鑰制定密文發送,所以竊取信息變得毫無意義。目前的物理學家已經從數學邏輯上,驗證了量子通訊具有絕對的保密性。其中量子密鑰分發生成量子密碼,可以和二進位兼容,這也就為量子通訊的應用打開了大門。

所以中國擁有在軌運行的量子衛星,並且展開了星地糾纏實驗。意味著中國在量子通訊領域已經走在了世界前列。而很多科技大國,在量子通訊領域基本還處於停滯階段,將會在未來能源、軍事、金融領域的信息安全差人一等。而墨子號實驗,正式擺脫這種風險。對於民生而言,構建天地一體的通訊網絡,更有有利於網際網路、導航、新型貨幣的安全應用。

未來一旦突破超光速傳輸。量子的威力一點不輸給今天的半導體製造技術。所以不必著急,等到量子天地一體組網成功,將會是跨越式的生活體驗,而不是從4G到5G這種量的變化。

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