未来通信发展的趋势——量子通信安全优势在哪里

2016-09-14 03:16

来源：光通讯网

　　中国的“墨子”升天引来了全世界的关注，而让这个颇为神秘的词狠狠的火了一把--量子。

　　仅仅一颗通信卫星发射成功有必要引来这么大的轰动吗？有！而且它不普通！不是普通的通信卫星。它是首颗携载量子的卫星。它未来的应用主要是作为通信卫星，将应用于互联网和金融安全等领域。

　　为什么量子通信在安全方面有这么轰动的反响？量子通信到底是怎样实现安全的？

　　这与量子本身的三大特性分不开。纠缠理论、测不准理论、不可复制性。

纠缠理论

　　量子纠缠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，虽然粒子在空间上可能分开。

　　纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠，即使相距遥远距离，一个粒子的行为将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。

　　爱因斯坦将量子纠缠称为"鬼魅似的远距作用"（spookyactionatadistance）。但这并不仅仅是个诡异的预测，而是已经在实验中获得的现象，比如科学家通过向两个处于室温的纠缠的小钻石发射激光（图中绿色）。科学家希望能够建造量子计算机，利用粒子纠缠进行超高速计算。

　　量子纠缠所代表的在量子世界中的普遍量子关联则成为组成世界的基本的关联关系。或许用纠缠的观点来解释"夸克禁闭"之谜。当一个质子处于基态附近的状态时，它的各种性质可以相当满意地用三个价夸克的结构来说明。但是实验上至今不能分离出电荷为2e/3的u夸克或（-e/3）的d夸克，这是由于夸克之间存在着极强的量子关联，后者是如此之强，以至于夸克不能再作为普通意义下的结构性粒子。通常所说的结构粒子a和b组成一个复合粒子c时的结合能远小于a和b的静能之和，a或b的自由态与束缚态的差别是不大的。而核子内的夸克在"取出"的过程中大变而特变，人们看到的只能是整数电荷的介子等强子。同一个质子，在不同的过程中有不同的表现，在理解它时需要考虑不同的组分和不同的动力学。一个质子在本质上是一个无限的客体。实质上整个宇宙是一个整体的能量惯性体系包括实在的粒子和空间，由于能量惯性的存在，整个能量体系时刻按一定的能量运动规律运动，宇宙中的每一个粒子作为宇宙能量的一分子它本身的能量惯性状态始终与宇宙环境保持一致即能量的稳定性，它们的电磁能量波始终存在着相互作用。当俩物质粒子同时处于某一状态即尽量使之处于基态或能量控制编码态，它们在相互作用时产生了电磁能量惯性互动及量子纠缠现象。因此，物质具有能量然而人们只能从物质的相互作用中获得并得到利用。

不可复制

　　量子通讯的理论基础在于量子不可克隆原理，这个原理从根本上保证了量子通讯信道是无法被窃听的：通讯双方通过公开地交换一些测量信息（这些信息可以让所有人都知道，比如说，通过大喇叭来喊话），就可以确认是否有人窃听。

　　当然，通讯保密是个系统工程，最终的保密效果依赖于系统每个环节的可靠程度，决定于保密程度最差的那个环节。量子通讯只是保证了需要保密的信息不会在该环节里被泄露，其他环节的事情，他是管不着的：比如说，掌管保密信息的人本身也许就是个间谍，那么需要保密的信息肯定会被偷走，量子通讯对此肯定是无能为力的--这是常识，是任何系统工程都无法避免的，但这些并不构成否认量子通讯保密性的理由。

　　量子力学说起来挺玄乎，其实也是可以用些常识性的比喻来理解的。下面就谈谈量子不可克隆原理，谈谈他为什么能够保证量子通讯信道是无法被窃听的。

　　克隆（clone）就是复制的意思，量子不可克隆，就是说，某个任意的量子态是不能够百分百精确地复制的。需要注意的是，这里说的量子态，指的是任意的量子态，也就是说，我们事先不知道他的状态到底是什么--对于某个确定的量子态，我们是有办法精确复制的。其实，这等效于说，对于某个任意的量子态，我们是无法通过测量确定它的特性的--在量子力学里，"知道"的意思其实就是"测量"：不经过测量，你就不知道；而测量总是要影响量子态的，你要想知道，就必须选择测量方法，具体的测量方法会决定测量的可能结果。这就是量子力学的精髓，实际上是从所有实验中总结提炼出来的道理--科普文章里经常提到的海森堡测不准原理，说的也就是这么个事情。

　　有一些特殊的测量，是可以保证某些特殊的量子态不受扰动的，这些量子态就是本征态，其对应的测量值就是本征值。本征态是非常特殊的量子态，任意的量子态通常是多个本征态的叠加。量子不可克隆原理说的是，任意量子态是不能够精确复制的--本征态是可以复制的，因为他是非常特殊的量子态，特别是他依赖于测量方法的选择。

　　为什么说量子不能够被精确克隆？证明的方法是反证法。首先要承认的前提是海森堡测不准原理，这是从无数实验中总结提炼出来的事实。如果任意量子态可以被精确克隆，那么我们就可以这么做：先把这个量子态精确地复制一百份，然后用一百种不同的测量方法来精确地得到一百种不同的信息--如果一百份还不够，那么就克隆一万份好了。通过选择测量方法，我们就可以知道每个特定备份的相关性质，再加上精确克隆的假定，我们就可以知道任意量子态的任何信息，海森堡测不准原理也就不可能成立了--这个结论与实验观测事实是矛盾的。所以说，量子不可克隆原理等价于海森堡测不准原理，也等价于测量会影响量子态的这个量子力学基本假定。

测不准

　　量子本身一般不是像光子、电子那样的粒子，它其实就是"份额"或"单元"的意思，一定要在量子前面加上限定，它才有确切的含义，比如能量量子、动量量子，而且，它也只是指一份能量或一份动量，与粒子是不同类别的东西。不过，场量子一般就是指微观粒子。

　　粒子的位置与速度的不确定性关键在于所有微粒都具有波粒二象性--它既像颗粒状的分立的粒子、又像云雾状的弥散的波动，而且粒子的动量直接与波动的波长成反比（可参阅德布罗意波、或称物质波或概率波）。已有不少实验直接证明了光子、电子、中子、原子的这种波粒二象性。尽管没有去直接验证所有粒子都具有这种二象性，但所有已知粒子都按照以此波粒二象性为基础的量子力学来处理后的结果都与观测相符--间接验证了所有粒子都普遍有此波粒二象性。至今也没有丝毫的迹象显示存在着没有波粒二象性的粒子，绝大多数科学家也相信将来不会发现这种粒子。

　　至于为何会有波粒二象性，至今仍是一个谜。

　　不妨具体看看波粒二象性与不确定原理的关系：

　　由德布罗意的物质波波长的公式可知，一个有着完全确定动量的粒子对应着一个有着完全确定波长的平面单色波，这样的平面单色波必然是遍布全空间的，并且此波的振幅是处处相同的（否则，按傅立叶分析，它就不可能是单色的--只有单一的波长），亦即全空间各处找到该粒子的概率都相同--粒子的位置完全不确定，这正是不确定原理要说内容的一部分--粒子的位置和动量不能同时确定，动量完全确定时，其位置就完全不确定。

　　另一个极端情景是：粒子的位置完全确定（相对论量子场论对位置的确定又有进一步的限制，这里不展开说了），此时的波函数的形状是无穷高也无穷细的一个尖峰（数学上用狄拉克函数表示），表明除此处以外的其他地方找到粒子的概率都是0。狄拉克函数根据傅立叶分析可看成是无穷多个不同波长（从0到无穷）的平面单色波的叠加。由德布罗意的物质波波长的公式可知，一个波长对应于一个确定的动量，无穷多个不同的波长就对应着无穷多个不同的动量--此时的粒子动量是完全不确定的，这正是不确定原理要说内容的一部分--粒子的位置和动量不能同时确定，位置完全确定时，其动量就完全不确定。

　　来看中间的某个状况：一个有限高度和有限宽度的波包代表粒子就分布在这个波包的宽度的范围内，波包宽度也就是这个粒子的位置的不确定程度Δx。这个波包的傅立叶分析的结果是叠加的单色波波长只分布在一定范围内--相应的动量的不确度Δp是一个有限的值。ΔpΔx也是有限的，如果波包的大小和形状取得合适，还能使ΔpΔx达到最小值--约化普朗克常数的一半。这正是不确定原理的核心内容--ΔpΔx≤h/4π。

　　波粒二象性的图像确实是难以想象的，许多人都试图找到像经典粒子那样的位置确定的、不弥散开来的、动量也确定的并且可以任意小的东西，但近一百年来的实践似乎是越来越强烈地表明那实在不过只是一种毫无现实依据的空想--不是测量工具不足，而是微观世界就是这般奇异不定--那里确实有一部分东西是无规则的、不确定的、概率性的--有些我们想确切知道的东西还真是无论如何也无法知道！

　　有人这样形容过量子通信，就好比是你用大喇叭告诉另一个人秘密，通知过程中，你就可以知道是否有人在窃听。你就会发现你的通信是否是安全的。

　　量子通信给通信渠道带来了一个绝对安全得通道。我们就只需要静静的等待，等待量子通信普及起来吧！

　　在这个数据爆炸时代，手机、网络以及即将到来的物联网时代，保护好我们的网络数据成了头等大事。信息安全不得不值得我们重视起来！别在网络世界裸奔！