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到底啥是“量子通信”

要了解到底什么是“量子通信”,
讓我們從三個問題開始著手:


“量子通信”是干啥的?


為啥?


咋弄的?




“量子通信”是干啥的?

用最通俗的方式解釋就是

“加密”“傳輸”



 

用專業術語叫“量子密鑰分配”和“量子態傳輸”


先說加密


為啥要加密?咋加密?

加啥蜜?好吃不?



因為我們傳輸的信息在介質中傳播時很容易被第三方竊取,所以我們要在發送的內容中加入密碼,使得竊取者無法破譯內容。接受者提前知道密碼的破解方法。而竊取者無法破譯內容。


舉一個過時的例子,

比如二戰時德國軍方使用的

“恩尼格碼”機

恩尼格碼機內置了多個轉子,每個轉子對應不同的26個字母,也就是說,只要發送者敲下一個字母就會出現26的N次方種可能,而其中規律只有德國軍方自己才知道,如果盟軍截獲了信息,靠人工推演,可能要花費上萬年才能破譯。


以前的加密方法已經這么安全,

那還要量子通信加密有什么用?


可是隨著人工智能的出現以及發展,

傳統的數字迭代式的加密方法(經典密碼)會被計算機分分鐘破譯





偉大的阿蘭圖靈,將人工智能的概念用于密碼破譯,成功破解了“恩尼格碼”,提前結束了二戰,更為世人留下了寶貴的遺產——計算機



密碼分分鐘被破,怎么辦?



香農,這位某種意義上說偉大程度已經不亞于甚至超過他的遠方親戚愛迪生的偉大科學家,提出一個解決辦法:

一次一密


簡單說就是每一次發送信息都采用新的密鑰


每次都用新的密鑰,豈不是接受者也蒙圈?那么發送者就需要每次都把新的密鑰發送給接受者。



恩,穩妥



這時候問題來了,密鑰在傳輸的時候會被竊取啊!


我是一個小插曲




如果有人竊取我的信息,難道我發現不了嗎?


對,發現不了


我們都知道現在通信系統傳輸的介質無非是光纖。


舉一個例子



S給B發送了一個名為m的密鑰,但是中間被A竊取,A拿到密鑰后又復制了一份繼續發送給B,B此時無法得知密鑰已經被人竊取!但是A已經可以在神不知鬼不覺的情況下進行對信息的解密。




插完了



所以能否發現竊聽者成了解決通信加密的一個關鍵問題。


為了解決這個問題“量子通信”終于可以閃亮登場了!



隨即出現了開篇時的第二個問題:


為啥?


為啥量子通信可以幫助我們發現竊聽者?


首先讓我們回憶一下剛才S和B之間通信被竊聽時的情況



我們看到,當A竊取密鑰時,首先要對密鑰進行截取,然后復制,我們稱這個過程為測量、復制,那么有沒有一種東東是一旦被測量我們就會發現呢?



有!



不但有,而且有人對這一特性設計了一個理想模型,這個人就是——薛定諤


這個理想模型就是“薛定諤的貓”



這只可能是世界上最慘的貓被關在一個封閉的鐵箱子里,鐵箱子里有一個裝著放射性元素的儀器,同時這個儀器連接著一個錘子,一旦放射性元素發生衰變,釋放出α元素,錘子就會落下,擊碎一個裝滿氰化物的毒氣瓶,毒氣釋放,貓咪必死無疑。


放射性元素早晚都會衰變,我們都知道放射性元素有半衰期,但具體什么時間衰變沒有人知道,也就是說沒有人知道這只貓什么時候死,什么時候活,除非打開箱子看,也就是說只要不打開箱子,這只貓就處在一種既活著又死了的狀態,半死不活!


我們把貓咪的這種狀態叫做:

“量子疊加態”

也就是既“活”又“死”的疊加態


那我打開還不行么?小咪咪好可憐



如果打開箱子對貓的死活進行驗證,也就是進行測量,那么貓的那種“量子疊加態”,既活又死、半死不活的狀態就會轟然坍塌,因為一旦你打開盒子得到的結果要么是“活”,要么是“死”,未知的生死的疊加態將難以還原復制


這種現象叫“波函數塌縮”


我們一旦對薛定諤的貓進行測量,就會改變實驗模型的狀態,波函數就會塌縮,這不正是我們想要的特性么?


——只要測量就會被發現


那什么東西才滿足這樣的特性呢?

我不能拿貓去做通信媒介吧?


答案不言而喻,那就是“量子”




不甚嚴謹的講,所謂“量子”者,“小丟丟”也

我們把原子、中子、質子、電子、光子這些個微觀粒子都可以統稱為“量子”


第三個問題


咋弄的?


為啥量子就有這個特性?

怎么利用的這個特性呢?

還加密了你咋不上天呢?




打個比方,我們把量子看成在做高速震動的球,因為這個球很小,震動的速度又很快,所以我們無法知道這個球某個時刻點在具體的什么位置(測不準原理),但是,我們可以知道這個球震動的方向和規律,也就是量子偏振的向量




大概就是這個樣子,量子震動的方向有垂直、水平、逆時針45度、順時針45度,四種情況。


那么在測量這四種情況的時候我們就可以利用互相垂直的測量基,你可以簡單的把它理解成互相垂直的通道,長下面這個樣子




大家可以試想一下,上下垂直震動的球球可以順利的通過十字的測量基,斜45度垂直震動的球球都可以通過×狀的測量基。那不就達到測量的目的了嗎?


等一下!


那如果↑↓震動的球球通過X狀的測量基會發生什么情況?

答案是:測量會導致量子態改變,也就是量子偏振方向會發生改變


舉一個不恰當但非常生動的例子



這個人擺了一個十字造型,但是他要通過下面這個形狀的門




沒辦法,他只好把身體的造型改成:



也就是說:



       

這個人就是具有偏振的量子,而這個大字門就是測量基。


那么再看量子的測量

如果一個↑的量子通過X形狀的測量基,那么↑的狀態就會被改編為50%↗

和50%↘


也就是說一旦發生錯誤的測量,那么量子的狀態就會被改變!


此時如果出現竊聽者,竊聽者不可能百分之百用對的測量基對量子進行測量,那么只要用到錯誤的測量基,那么量子的偏振態就會發生改變!



也就是說只要有竊聽者想偷取密鑰,那么他必須先對量子進行測量讀取,一旦他對量子進行測量,就會對量子的狀態進行改變(這就是我們之前說到的波函數塌縮),那么量子的狀態一旦改變,接受者就會很容易發現竊聽者的存在,從而進行應對。保障信息的絕對安全!!


我們的問題終于解決啦!

小小總結一下

量子通信干啥的

答:加密和傳輸


為啥要用量子通信加密?

答:因為傳輸密鑰時可能會被竊聽,而竊聽者又無法被發現。


那量子通信為啥就能發現竊聽者

答:因為量子一旦被測量,狀態就會改變(試驗模型薛定諤的貓),竊聽者就會被發現


等等,不是說量子通信還可以傳輸嗎?(量子態傳輸)

欲知后事如何,且聽下回分解


本文投稿作者:君濕

網優雇傭軍投稿郵箱:wywd11@126.com

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