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我国研发的全球首颗量子卫星发射 但究竟什么是量子通讯呢?

导读: 量子通讯是一项长久以来一直被寄予厚望的未来技术,其核心是量子密码学,基于量子的量子密钥分发系统拥有严格被数学所证明的“无条件安全性”,因此量子通讯拥有极高、不可被破解的信息传输安全性。今天小编就来给大家科普一下,何为量子通讯。

  OFweek电子工程网讯:量子通讯是一项长久以来一直被寄予厚望的未来技术,其核心是量子密码学,基于量子的量子密钥分发系统拥有严格被数学所证明的“无条件安全性”,因此量子通讯拥有极高、不可被破解的信息传输安全性。今天小编就来给大家科普一下,何为量子通讯。

  量子通讯的可行性——量子叠加态与量子纠缠

  想必大家都听说过量子力学。量子,是指一个不可分割的基本个体,任何有形的性质都可以“量子化”。这个听起来就比较深奥了,不过大家也都听说过薛定谔的猫吧,这一思想实验诠释了经典的量子叠加态性质,即量子状态可以是多种量子态的任意一种,具备叠加效应,这应该也是最为大众所熟知的量子力学知识了。

  量子通讯需要使用到量子的纠缠效应。所谓量子纠缠,是指两个经过耦合的微观粒子,当一个粒子的状态发生变化时,另一个也会立即发生相应的变化。这种变化是“瞬时”的,也就是说,量子纠缠的作用速度比光速还快。

  正是因为量子的这两种特性,叠加态与纠缠态,使量子通讯具备了防窃听的功能。

  量子通讯的作用——传递密钥

  那么量子的这种特性如何在量子通讯中得到利用呢?解释这个问题之前先跟大家讲述下传统加密的原理。大家都知道加密是需要密钥的,只有输入正确的密钥时,才能进行解密。这个密钥由发送方与接收方共有,一旦泄露或遭到破解,加密便毫无意义。

  历史上有名的密码破解,最为人熟知的就是艾伦·图灵破解德国密码系统,其实就是破解了加密用的密钥,为二战胜利做出了贡献。在二战后期,日军的密码本以及德国的加密机相继被缴获,也使轴心国的行动暴露在同盟国的监视之下。于是人们在想,有没有什么更安全的加密方式,密钥既难以泄露,又很难被破解呢。

  发现量子力学后,科学家们便看到了一种可能性。众所周知任何对量子的测量都会改变量子的状态,而且量子还有不可复制的特性。因此通过上面提到的量子叠加态以及量子纠缠,可以检测是否有第三者窃听并试图测量量子,这不就确保了量子通讯的安全性了吗。

  量子通讯的核心——量子密钥分发

  接下来就是量子通讯的核心部分,量子密钥分发系统了。它是如何发挥作用的呢?首先你要知道量子密钥分发系统传输的只是密钥,而不是内容。密钥的传输与分析过程非常复杂,引入了多重随机性来确保密钥的不可破解。这里以研究最广泛的BB84协议为例,这种方法由查理斯·贝内特与吉勒·布拉萨于1984年首创。

  BB84协议使用了光子的偏振态来传输消息。首先,发送方随机生成一串比特,然后再随机使用光子偏振的两个直线基“+”与“×”对这些比特做一一映射,比如+与0对应时就生成↑,×与1对应时就生成↘。发送方自己制定规则两两对应,于是有了四种光子的偏振态,如下表。

  制定好光子偏振后,发送方就可以将这些光子通过量子信道发送给接收方,接收方也随机使用直线基“+”与“×”对这些光子做一一测量。由于是随机采用,所以接收方使用的直线基与发送方使用的直线基有50%的概率会不同,这里存在一个随机性。

  而且由于量子力学存在一个性质,非正交的状态间无法通过测量被彻底分辨,所以接收方测量时一定会产生误差。如果用“+”去测量↑或→,因为互相正交,所以可以获得正确的结果。但如果用“×”去测量↑或→,有50%的概率会获得↗,50%的概率会获得↘,就是因为两者不互相正交导致结果出现错误,这又是一个随机性。不过量子加密就是要出现错误才好,马上就会讲到。

  接收方在测量完毕后,需要按照发送方之前制定的映射表,将光子偏振态再还原为比特。因为存在多重随机性,所以最终获得的比特串与发送方原先生成的比特串是一定不相同的。看到这里你也许会发现,如此复杂的机制就是为了产生大量的随机性,制造结果的不确定性,这就是量子密钥分发的本质。它不追求准确,而故意引入随机性。而正因为随机,所以安全。

  在完成上述过程后,发送方与接收方会利用传统通讯渠道进行一次沟通,双方对比下各自使用了哪些直线基,然后剔除掉那些使用了不同直线基的结果,最后留下的、共有的比特数据就是密钥。这一过程不必担心被窃听,因为窃听了也没什么用。整个密钥的生成过程如下:(Alice为发送方,Bob为接收方)

  那么如果有人中途拦截发送方发送的量子信息该怎么办?下面这部分就有点烧脑了,各位看官可能要细细琢磨下。

  当接收方去测量光子偏振态时,基于测量就会改变量子状态以及量子不可复制的定理,发送方手上粒子的量子状态也会随之改变。但这并不影响,因为随后双方沟通时会消除这一影响。

  然而当有第三方试图去截获、测量量子信息时,就会引发额外的量子状态改变。如果第三方使用与发送方相同的直线基,则因为保持正交而不会改变结果。但因为概率问题,第三方使用的直线基一定会与发送方不同,于是就会改变光子的偏振态。那么接收方收到的量子信息从一开始就是错误的,在双方沟通阶段就会发现对不上。因为双方互相利用对方的直线基测量出来的偏振态会出现极大的差异,明明应该是相同的地方,却不相同,这时就会意识到存在第三方窃听,会决定舍弃这一量子信道,再进行一次传输。

  以上是基于测量的量子密钥分发系统,还有基于量子纠缠态的方式。比如先让发送方与接收方各自持有纠缠量子对中的一个,发送方选择基"+"和"×"来测量,之后告诉接收方他的测量结果。接收方可以通过发送方的结果推断出自己的光子目前处于什么状态,从而达到从发送方处接收到一个量子状态的效果。

  结语

  我国这颗量子卫星之所以引发广泛的关注,正是因为使这种量子密钥分发与量子纠缠的空域研究成为可能。目前在地面上,已经成功实现验证了量子密钥分发与量子纠缠的可能性。而通过发射量子卫星,开启了人类向太空量子通讯的挑战,我国正处于这项研究的前沿领域。未来如果能建成覆盖全球的量子卫星网络,信息传输的安全性将大为提升,这是一件让人感到激动的事。

责任编辑:Alvin
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