量子通信是啥?蝌蚪君给你讲个故事

作者:蝌蚪君来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-08-11

故事虽然有些狗血,但是你却懂了呀。

  去年8月16日,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空,不到一年的时间,就完成了原定两年的星地高速量子密钥分发、量子纠缠分发和地星量子隐形传态实验三大科学目标。

  中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队,利用“墨子号”量子科学实验卫星,在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。

  两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。

量子通信是啥?蝌蚪君给你讲个故事

潘建伟介绍“墨子号”最新成果

量子通信是啥?蝌蚪君给你讲个故事

实现星地高速量子密钥分发

量子通信是啥?蝌蚪君给你讲个故事

完成地星量子隐形传态实验

  量子密钥分发以及量子隐形传态到底是什么,今天,蝌蚪君就来深入浅出的科普一下。

  故~事~来~啦~

  量子密钥分发

  其实,整个“墨子号”所做的事情,基本上还是为了老百姓未来生活服务的。

  大家除了吃饭穿衣,每天少不了的,就是通信了,电话、邮件、微信……

  大家都面临着一个基本的问题:怎么来保证信息的隐私性?

量子通信是啥?蝌蚪君给你讲个故事

原谅手残的蝌蚪君

  这种经历你肯定有过:男孩给女孩发短信,又不希望被女孩的妈妈看到(假设女孩的妈妈会检查女孩的手机),那么,怎么才能做到呢?

  “墨子号”的量子通讯技术上场了,它用“量子密钥分发”技术保证了这条短信的安全性。

  “墨子号”给男孩与女孩各发一组量子密钥,男孩在发短信的时候,用量子密钥把内容加密,女孩收到短信后,再用量子密钥把短信内容解密出来。

  就算女孩的妈妈就算拿到了手机,但因为没有量子密钥,她也无法看到短信的内容。

  这就是量子密钥分发的好处。

  量子隐形传态

  那么,量子隐形传态又是什么鬼呢?

  这个东西不太好描述,再给大家讲个故事,画面请自行脑补。

  一对男女,异地恋,两个人之间建立了一种量子纠缠,男孩高兴的时候,女孩也会高兴(爱情的力量真伟大[doge] )。

  不过剧本设定:量子隐形传态必须出现一个第三者。

  所以,在男孩的身边出现了另外一个单身女孩B(我们把单身状态称为一种量子态)。

  由于他们会经常在一起沟通工作上的问题,日久生情,男孩就与女孩B建立了爱情关系。

  男孩的异地女友失恋了,成了单身状态(我们称她为女孩A)。

  在这个过程中,女孩B把自己的单身状态传递给了女孩A,这个过程中两人虽然没有见过面,但完成了一次量子隐形传态。

  单身状态其实是一种信息,未来可以通过量子隐形传态来传递信息。

  虽然这是一个老套的狗血故事,但是你却懂了呀。

量子通信是啥?蝌蚪君给你讲个故事

  量子通信的技术难点

  墨子号做的实验都是用单光子做的。所谓单光子就是说从天上的卫星到地面接受站之间的光路上每次都只发出一个光子,因为只有单光子的偏振态可以携带这些量子信息。

  正因为是单光子,所以它在天地之间的跑的时候很容易丢失,也许被风吹丢了,也许被雾霾挡住了,也许遇见雷电被干扰了。

  总之,目前的墨子号量子通信技术还处在科学实验阶段,整个单光子系统的脆弱性是一个主要的技术难点。

  那么,既然单光子那么脆弱,为什么不把单光子信号放大呢?正如用三极管把电压信号放大一样。

  在量子通信里,这个量子信号是不能放大的。(所以单光子的脆弱性可能会永远存在)

  要把单光子的量子态放大,相当于是要复制一个未知的量子状态。

  这背后有一个物理学定律告诉我们这是做不到的。

  这个定律就是“量子不可克隆定理”。

  量子不可克隆定理说的,一个未知的量子态是不能被复制的。

  克隆是什么?

  克隆就是复制,以前一般用到生物领域,比如克隆羊啊,克隆猪啊,都是没爹没娘的,都是从兄弟那里复制出来的。

  70多年前,我们中国的生物学家童第周就搞过克隆蝌蚪的研究工作。

(我克隆的同胞呢?)

  1982年,克隆的思想进入到了物理学领域,不过,在物理界,情况与生物界不同——一个未知的量子态是不能被克隆的。

  当年,物理学家威廉·沃特斯和沃伊切克·祖瑞克也是在英国《自然》杂志上发表了题为“单量子不能被克隆”的论文。他们在论文中用简单的量子力学公式证明了一件大事:在量子的物理世界里,克隆是不行的。

  正因为有了量子不可克隆定理,所以被用于量子通信的单光子信号不能被放大,所以整个通信系统容易受到外界环境的影响。

  不过,量子通信的实验,目前中国是全球第一,处于颠覆性创新,一旦技术成熟,必将改变老百姓的生活。

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