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量子通讯真的超光速了?量子隐形传态真的能瞬移粒子吗?

虽然在量子力学中还有很多的难题,比如量子纠缠,我们并不知道两个相互纠缠的粒子怎样保持内在的联系,还有量子的叠加态,我们无法想象处在叠加态中的量子是一个怎样图景。

但是这并不妨碍,我们利用它们为我们服务,就像是很少有人能知道汽车的工作原理,照样一脚油门都能飙车。

今天我们就说下,大家比较关心,也容易产生误解的三个最前沿的科技,量子保密通讯,量子隐形传态,量子计算机,这三项技术就直接应用到了量子的叠加态,量子纠缠,这两个量子力学中最神奇的现象。

先说,量子保密通讯。

在量子保密通讯中,最重要的就是保密两个字,把保密两个字直接给扔了,这万万不能。

因为丢了保密两个字,就跟这项技术彻底的背道而驰了,而且还容易让人产生误解,认为我们现在正在研制突破光速的通讯方式,尤其是在2017年我国发射的世界上第一颗量子通讯卫星“墨子号”成功的实现了从太空到地面的量子密钥分发。

不明白的人,还以为成功实现了天对地的超光速通讯。其实不然,就像我上面说的,并不是量子通讯,而是量子保密通讯,或者说具体点就是量子密钥分发。

这项技术只是用量子的测不准关系,以及叠加态原理,对信息进行加密的一种手段,说白了就是一种量子密码系统而已,实际上的信息传递,还需要依靠经典的通道来进行,依然受到了光速的限制。

再说量子密码之前,我们先了解下经典的密码系统,关于信息传递的保密技术由来已久,我们最熟悉的就是在谍战片中,看到的情形。

地下工作者,现在想给潜伏在敌人内部的同事传递信息,比如:今晚行动,这四个字,如果直接在纸条上写出这四个字,要是在中途,或者事后被人截获、发现,那后果就严重了。

所以就需要对“今晚行动”这四个字进行加密,这里说的加密,并不是把这个纸条放在盒子里锁起来,而是变换一种表达形式。

怎样变化?这就需要传递信息的人和接受信息的人事先约定好变换的规则,假如它们约定数字10代表了汉字今,6代表了晚,7代表了行,4代表了动,等等,它们还可以约定很多的数字,代表什么汉字。这个约定的变换规则就是密码本,或者说是密钥。

这样它们传递信息的时候,就只需要在纸上写一行数字:10、6、7、4,就可以了。把想写的话,变换成数字。

接受信息的人,通过密钥就能翻译出原文,这样就完成了一次保密通讯。这样的加密系统,也被称为对称密码系统,或者是私钥密码系统。

从私钥密码系统这个词就能看出来,这样的加密规则,只有接收方和发送方两个人知道密钥的形式,不过这种密钥形式很容易出现漏洞,然后被破解,例如,他俩在经过多次的通讯之后,窃听的人就能从中很快发现规则,破解它们的密钥。

而且当他们知道自己的密钥已经被破解以后,就需要再次约定新的密钥,而约定的新密钥在分发的过程中,还有可能被人窃取。所以这种私钥密码系统,安全性并不高。

所以就有了非对称密码系统,也就是公钥密码系统,也就是接收方先弄一个极难破解的专用密钥,这个密钥只有它自己一个人知道,然后根据这个专用密钥,再衍生出一个公开密钥,他就可以把这个公开密钥向外公布给所有人,任何人都可以用这个公开密钥把信息加密以后,传送给他。

接受到信息以后,他就可以利用自己的专用密钥,翻译出原文。公钥密码系统的优点在于,依靠专用密钥衍生出来的公开密钥,不怕被窃听,就是直接公开的,如果没有专用密钥,很难破解出原文。

不过,公开密钥系统的关键在于专用密钥,必须具有绝对的、无条件的安全性,才能保证整个密码系统不被破解。

这个问题好办,我们都知道,将两个质数相乘可以轻松地得到一个合数,但是想要将一个合数分解出它的两个质因数却比较困难,而且随着合数位数的增加,这个难度会呈指数级增长。

这就是“大数不可分解性”,我们将15进行质因分解会得到3和5,看起来很简单,这是因为15只是两位数,如果我让你分解10949769651859,懵了吧。

不仅你分解不出来,数学家它也分解不出来,因为目前对于这个问题没有一个有效的算法,只能一个一个质数去尝试,这就导致了就算是计算机来算也非常缓慢。

而且每增加一位数,所花费的时间就增加3倍,那么只要这个大数足够长,按照目前人类的算力,是无法破解的。

因此,我们就可以把两个质因数的乘积当作公开密钥,公布出去,把两个质因数当作专用密钥。这样就形成了一个安全性非常高的,目前看来无法破解的密码系统,这也是我们现在常有的加密术,称为RSA算法。

但是这样的加密算法依然有漏洞,上面说了,不能破解是因为计算机的算力不足,如果算力大大提高以后,不就威胁到现在全球的信息安全了吗?

没错,当量子计算机诞生以后,算这个轻而易举,因为量子计算机能够达到指数级的并行运行,也就是可以同时处理更多的运算,比如利用传统计算机分解一个250位的数,可能需要几百万年,但是量子计算机也许几分钟就完事了。

那为什么量子计算机的效率会这么高?

因为量子计算机的储存和逻辑门与传统计算机完全不同,在传统的计算机中,一个信息的最小单位就是一个比特,用0或者1来表示,比如让开关闭合,电子通过就代表1,开关断开,就是0。

现在计算机读取信息,获得了一组数字1010,这就是4个比特的信息,我们知道8个比特代表一个字节,1024字节代表1k,1024K为1兆,等等。

而在量子计算机中,传统的信息单元就变成了量子比特,那么什么可以作为一个量子比特?凡是具有两个量子态的系统都可以。

比如一个电子它具有的自旋属性可以处在向上和向下的叠加态当中,它就可以代表一个量子比特,如果我们现在约定自旋向上就代表1,自旋向下代表0,也就是说,一个电子比特可以传送两个信息。

而在经典计算机中,一个量子比特只能是1或者是0,也只能传递以一个信息。除了电子以外,圆偏振光子也会处在左旋和右旋的叠加态当中,所以它可以作为一个量子比特。

由于一个量子比特可以同时代表两种信息,所以在量子计算机中可以同时处理2^n个不同的运算。

假如我们现在有500个量子比特,那么它就可以同时进行2^500个运算,这是一个非常庞大的数字,因此利用量子计算机,再加上特定的算法,破解现在的RSA加密术轻而易举。

不过,大家不要太过担心,感觉量子计算机威胁到了现在的信息安全,

目前量子计算机还只是一些躺在实验室里的原型机,它跟我们的通用计算机还相差很远,现在的量子计算机,只是在处理某些特定的问题上展现出了它的优势,也就是我们常听说的实现了量子优越性。

而且,就算有了量子计算机,我们的信息依旧安全,毕竟道高一尺魔高一丈,我们的量子加密系统已经走在了量子计算机的前面。

在量子密钥中,我们利用量子态对信息进行加密,比如单光子的偏振方向,比如垂直方向上的偏振代表信息0,水平方向上偏振代表信息1,如果在传输的过程中有人截取了这些光子,那么它在没有获得正确测量这些光子偏振方向的时候,只要对光子进行测量,就会改变光子的量子态。它不仅不能获得正确的信息,而且还会让发送者和接收者知道,光子的量子态被改变了,知道信息已经被窃取,放弃本次的通讯。

所以说,量子加密系统是利用物理基本规则的一种加密手段,也就是量子态的“一触即变”,跟计算机的算力大小没有任何关系,所以量子密码具有无条件的安全性,无法被破解。

我国的墨子号,就是现实了这种量子密钥,天到地之间的分发,分发的过程是以单光子技术来完成的,所以分发的速度也就是光速。

最后,我们说下量子隐形传态,这才是真正的量子通讯,不过只是在经典通讯的过程中,加入了一个量子通道,总体上来说,传输的速度还限制在光速。

虽然速度没有提高,但是这种通讯方式做到了可以以光速传递一个实物。这里需要注意的是,并不是把一个真实的物体,从空间A,以光速传递到了空间B,而是传递的是它的量子态,就好像是把这个东西,瞬间的传送到了遥远的地方,所以叫量子隐形传态。

比如在A点有一个电子1,我们现在想将这个电子1传送到遥远的地点B,那么我们首先就要在A点和B点之间搭建一个量子通道,这个量子通道就是两个相互纠缠的电子E1和E2。

现在在A点将电子1和电子E1进行某种关联,使得E1的量子态和电子1的量子态完全相同,那么这时候,处在B点的电子E2的量子态也就发生变化,因为E1和E2是两个纠缠的量子对。

但是这是B点的人,并不知道A点的人对电子1和电子E1做了怎样的关联,所以这时就要通过经典的通道,比如打个电话,A点的人告诉B点的人,它做了怎样的关联。

B点的人获知消息后,然后对E2进行相应的变换,就会使得E2的电子和之前的电子1拥有完全一样的量子态。那么这就像是实现了把电子1传送到了B点,其实是只传送了它的量子态。

所以,这项通信技术叫量子隐形传态。

这跟科幻电影中的瞬间传送并不是一回事,科幻电影的传送是瞬间的,而量子隐形传态需要借助经典通道来进行,科幻电影传送的是实物粒子,而这里传送的只是量子态。

那么量子隐形传态以后能不能现实,传送一个实物,比如一个人,把它身体内所有粒子的量子态传到到遥远的地方,然后再遥远的地方把这些具有和人相同量子态的粒子,在组合起来变成一个活生生的人。估计是无法实现,毕竟一个人不仅仅是有微观粒子组成的,我们还有说不清道不明的意识存在。

好了,说到这里,整个量子史话就结束了。希望能让你有所收获,我就心满意足了。