量子通讯扫盲

2016年8月16日凌晨1:41,备受瞩目的中国首颗量子科学实验卫星“墨子”在酒泉成功发射升空。中国发射全球首颗量子卫星,这不仅仅是中国迈出构建量子通信网络的第一步,也是一个非常好的用于做远距离纠缠分发和量子隐形传态的基础科学研究的平台,为探索自由空间量子通信技术打下良好的基础。

量子是什么?

量子(quantum)是现代物理的重要概念。最早是M·普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍。后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别,经典物理学认为原子是最小单位,在经典物理学中,根据能量均分定理:能量是连续变化的,可以取任意值。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。

量子力学里面有一个经典概念,测不准原理。这个是量子力学的基础,它说的是在一个量子力学系统中,一个粒子的位置和它的动量不可被同时确定。精确地知道其中一个变量的同时,必定会更不精确地知道另外一个变量。既然测不准,那还怎么通讯?信息怎么能传递到另外一个地方呢?

幸好量子有另外一个特点,叫量子纠缠。九八二年,法国物理学家艾伦?爱斯派克特(Alain Aspect)和他的小组成功地完成了一项实验,证实了微观粒子之间存在着一种叫作“量子纠缠”(quantum entanglement)的关系[。在量子力学中,有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系:不管它们被分开多远,对一个粒子扰动,另一个粒子(不管相距多远)立即就知道了。

现在说的量子通讯就是利用量子纠缠原理来实现量子点隐形传输。但是这项技术还非常不成熟,长距离和速度都是难题,而墨子卫星就是要实现要和验证长距离通讯的可行性。

中科大的潘建伟在量子通讯这个领域上有创新性贡献,是该领域国际著名学者。潘建伟有关实现量子隐形传态的研究成果入选美国《科学》杂志“年度十大科技进展”,并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。其研究成果曾6次入选两院院士评选的“中国年度十大科技进展新闻”、5次入选欧洲物理学会评选的“年度物理学重大进展”、4次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”。

量子由于其物理上的特性,不可测原理,所有在加密性上要强于一切算法,一旦成熟对信息技术将是突破性进展。但是由于量子通讯的速度和距离限制,目前都最多只能实验性质的实现密钥的分发。

这项技术的成熟,潘建伟的判断是:5年左右很多机要部门开始用,10年左右金融业、银行等大机构开始使用,15年的时间或许走进千家万户。

原文发布于微信公众号 - 大数据和云计算技术(jiezhu2007)

原文发表时间:2016-08-20

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