黑洞科技觀察2020-10-27 11:15:59
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傳遞科技背後的思考
最近很多人應該都關注到了一個熱門科技領域，那就是量子科技。
我國的一個重大會議近期更是集體學習了「量子科技研究和應用前景」。
量子科技的兩大應用場景是量子計算和量子通信。尤其是量子通信，在我國已經形成了一定產業規模，最近量子通信板塊更是迎來了一波小高潮。
今天我將和大家一起研究一下，這個量子通信到底有多神秘？
先說一個顛覆大家認知的事情：假如說我們定義量子通信就是使用「量子」進行通信的話，那我們人類早在一百多年前就已經開始「量子通信」了。
這裡有一個曲折的故事：1893年特斯拉(不是電動汽車是科學家)首次公開展示了無線電通信；1897年特斯拉在美國獲得無線電技術專利；但是1904年其專利被撤銷，轉而授予馬可尼；1943年，在特斯拉去世後美國最高法院重新認定特斯拉的專利有效。好悲催的馬斯克，哦不，是好悲催的特斯拉！
所以，如果使用「量子」進行通信就算「量子通信」的話，那無線電就是最早的「量子通信」了。因為電磁波傳播的基礎就是一份份不能再分割的「能量子」，也叫量子。
可事實上，量子通信不能這麼簡單的定義。說到這很多讀者可能開始暈了，到底啥是量子？啥是量子通信？
感興趣的讀者可以接著看，如果對理論不感興趣，可以直接跳過下面兩部分。
量子
咱們先說啥是量子？量子不是我們已知的組成物質的微粒，它不是電子、不是質子、不是中子、不是夸克.......，它什麼也不是，它是一個概念：
量子：如果一個物理量存在最小的、不能再被分割的基本單位，那麼這個物理量就是量子化的，這個最小的基本單位就是量子。
量子的概念最先是普朗克在黑體輻射研究中提出的。具體的過程大家可以去百度，我舉個例子大家可能就理解了，假設你家裡有一個空調，遙控器非常精確，精確到你隨便調溫度。你可以升高1度，升高0.1度，......，如果是一個純數學家，會認為這個溫度升高的梯度是可以無窮小的，因為數學的世界天然是連續的。而實際上，這個梯度不是無窮小的，有一個極限，就是說溫度變化不是連續的，而是臺階式跳躍的。
這個最小的臺階，就是能量子，也就是量子。
而我們上面說的電磁波，向外傳播能量也是這樣一份份的傳遞，最小的一份就是電磁波的「量子」，由於光和電磁波是一樣的，也有人就直接叫「光量子」，也叫光子。所以大家看到這些概念不用迷惑，本質是一樣的。
基於量子的不連續性，近代形成了研究微觀粒子世界的量子力學。量子力學很好地解決了物理學家在研究微觀世界中遇到的很多經典物理學無法解決的問題。
量子通信
說了量子，咱們再說說量子通信。
量子通信是指利用量子力學的量子疊加態和糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式。
注意，不是用到「量子」就是量子通信，那樣的話咱們人類已經用了一百多年了。而是要用到量子力學的兩個重要概念量子糾纏和量子態疊加。
那什麼是量子糾纏和量子態疊加呢？
這兩個概念都和量子力學研究的微觀世界粒子的物理狀態有關。粒子的物理狀態有位置、速度、自旋、偏振、角動量等等，總之是描述一個例子某一方面的狀態。
量子糾纏是指組成量子系統的兩個粒子的狀態相互關聯，改變其一，另一個也就改變。比如兩個糾纏中的電子，他們的自旋只能是一個上旋，一個下旋，這就是量子糾纏。粒子的糾纏屬於整個系統，理論上來講不管把兩個粒子分開多遠，它們都還是糾纏。這也是很多人認為量子科學玄之又玄的根源，可實際上至少目前還無法這樣操作，理論上的東西怎麼理解都可以，就像宇宙到底是有限還是無限？對普通人來說沒啥意義。
量子態疊加是指粒子的狀態並不是基於時間確定的，而是很多狀態疊加在一起，最著名的例子就是薛丁格的那隻倒黴貓。舉個例子，電子圍繞原子核運動時，軌道位置就是一個疊加態，也就是說你是沒法確定電子在哪裡，可能是這裡，也可能是那裡。當我們對粒子態進行觀測時，量子態疊加就消失了，也就是說只能觀測到一種狀態，這就是量子態坍縮。
介紹這幾個概念有啥用呢？因為量子通信就是要利用粒子的這些特點進行通信。
這些特點保證了一個系統的不確定性、測量坍縮和不可克隆。所以理想狀態下這個通信系統不可能被竊聽和破解。因為你一測量，量子態就坍縮了，也就不能再重新構建對應的信息。
量子通信最理想的方式應該是利用通信兩端處於糾纏中的粒子對的狀態變化，來傳遞信息。這種方式能實現瞬間傳輸，其實不是瞬間，而是沒有延時，比光速還快。這個方式也叫量子隱形傳態。很多人被量子科學吸引也是因為這個原因，太神秘了，理論上甚至是人也可以瞬間傳送到另外一個 地方。可遺憾的是，目前的技術，這還只是個科幻夢想。我們還沒有辦法製備這樣的粒子糾纏對、分發並測量。
那現在科研領域的量子通信是怎麼回事？
現在處於研究階段的量子通信，實際是指量子加密通信，這裡面最重要的就是量子密鑰分配。
通信還是採用普通的傳輸方式來傳輸信息，只是在信息傳輸前加密的過程中，採用的是所謂的量子密鑰。而量子密鑰的分發，是通過量子傳輸信道中的糾纏光子對進行的，這樣的好處是能夠產生隨機的、無法監聽和篡改的密鑰。
依靠光子的偏振、路徑和角動量等物理態，對密鑰進行編碼，將處於糾纏中的光子對分發給通信雙方，這樣雙方對物理態進行隨機量測，就會得到密鑰。雙方再通過普通的傳輸方式對密鑰進行核驗，如果不一致，那就是信息被攔截了，需要重新分發密鑰。如果一致，那雙方就用這個密鑰完成一次普通方式下的通信。
看，量子通信通俗地說，就是這麼簡單！
然而，實際上哪裡這麼容易，科學家要解決的問題太多了。怎麼產生光子，而不是一束光，怎麼量測光子物理態，怎麼編碼......
量子加密通信的路還很遠，遠到我們現在只是剛剛穿上了鞋，邁出了第一步！
量子加密通信的優缺點
優點：
不得不說，真的比普通的通信安全，首先量子加密信道就不容易被監聽，因為密鑰的確定是根據雷射的偏振角度，一旦截獲再發送，偏振角度就變了。至少可以這麼說，目前量子加密通信是被理論證明無法破解的！
缺點：
量子加密通信仍然是基於現在的信息傳遞架構。一次一密，每次密鑰分發都要至少3次普通的信息傳遞來輔助，所以量子加密通信的效率肯定更低。而且現實中還沒有方法製備單光子進行密鑰分發，取而代之的是雷射脈衝，再加上密鑰識別率，通信效率可能更低。
量子加密通信的應用場景
既然量子加密通信這麼安全，那能不能各行各業都用呢？
其實，現階段的量子加密通信，從效率到準確性都註定了不可能像5G一樣廣泛應用。
量子加密通信有一個悖論大家應該知道。為啥要更安全的加密方式？是因為科學家認為現在的通信加密方式（如RSA）不安全，因為一旦量子計算機實現了，那麼破解這些傳統密鑰易如反掌。而現實是量子計算機的發展速度，遠不如現在的量子通信。
所以對於普通的行業，根本沒有必要為了追求「絕對的安全」，以犧牲效率為代價去搞量子通信。所以當我看到下面這樣的新聞時，一眼就能看出背後的不靠譜。
那誰需要量子加密通信？答案就是軍事用途、以及國家核心機密部門。
其實量子加密通信，更像是一個威懾手段，有他在，使得對手要投入無法承受的代價去升級自己的情報系統。
總結
我一直有一個觀點，量子科技領域註定是所有科普達人的滑鐵盧。
所以本文不是科普，沒有太多的配圖，也沒有通過太多日常生活中的例子去講解量子。
只是對量子通信領域的一個思考。
現在的量子通信科技領域的狀況，就像是一鍋美味誘人的佳餚，而我們現在只是把鍋蓋揭開一個縫隙偷偷聞了一下味道，而且由於太熱，還沒聞到啥味道。
現實就是這麼尷尬，量子科技的路還很遙遠。
人的精力是有限的，科學家如果不能把精力放到科研本身，那又怎麼能期望更多的產出？
所以當我看到現在量子通信產業化這麼如火如荼，我就知道量子通信或者說量子科技領域，將來註定和現在的晶片領域一個結局。