滨海建设局官方网站,做网站兰州,厦门网站开发网站建设网站,营销型网站的建设要求都有什么作用戳蓝字“CSDN云计算”关注我们哦#xff01;作者 | 小枣君责编 | 阿秃今天#xff0c;小枣君要和大家聊的是“量子通信”。最开始计划写这个专题的时候#xff0c;小枣君的内心是很纠结的。鲜枣课堂的目的#xff0c;就是传递“普通人都能听懂”的知识。每一个知识点专题作者 | 小枣君责编 | 阿秃今天小枣君要和大家聊的是“量子通信”。最开始计划写这个专题的时候小枣君的内心是很纠结的。 鲜枣课堂的目的就是传递“普通人都能听懂”的知识。每一个知识点专题小枣君都会用最容易理解的方式把它解释给大家学习。 但是“量子通信”这个专题解析难度真心有点大。。。 它涉及到量子论、信息论这样的烧脑理论还关联了密码学、编码学等一堆看着都要绕着走的复杂学科。 很多概念光是看名字都让人瑟瑟发抖——想要把这些知识都解释清楚实在是鸭梨山大 可是量子通信这几年发展非常迅速频频在各大媒体中亮相吸引了广泛的关注。关注之余大家对它充满了好奇和疑问渴望对它有更深入的了解。 所以尽管难度很大我还是决定努力给大家做一个关于量子通信的专题介绍帮助大家建立对它的基本认知。 好了废话说了辣么多我们开始吧。 Part.1 什么是量子 让我们把穿越时空回到十九世纪末。 那个时代是经典物理学的巅峰时代。以牛顿大神为代表的科学家们在力学、热学、光学、声学、电磁学方面取得了突飞猛进的成就。牛爵爷 在世人看来整个科学体系似乎已经搭建完成无懈可击。 但是随着时间的进一步推移科技发展又进入了新的阶段。大量高精尖实验仪器的问世帮助人们逐渐打开了微观世界的大门。 科学家们的研究对象从低速物体逐渐变成了高速物体再到音速、超音速、光速从大型物体到小型物体再到微观物体。科学家们发现很多实验结果都无法用经典物理学解释甚至和传统的理论认知背道而驰。 最为代表的是「迈克尔逊-莫雷实验」和「黑体辐射」。 这两个概念非常复杂限于篇幅我就不详细解释了。我们只需要知道「迈克尔逊-莫雷实验」后来催生了大名鼎鼎的“相对论”。而「黑体辐射」呢催生了我们今天的主角——“量子论”。 1900年10月19日为了解决黑体辐射的紫外灾难普朗克在德国物理学会上报告了关于黑体辐射的研究结果成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。在同年的12月14日历史上也把这天认为是量子物理的诞生日他发表了《关于正常光谱的能量分布定律》论文得到一个重要结论能量是由确定数目的、彼此相等的、有限的能量包构成。 普朗克的发际线演进过程。。。没事别去学物理真的 一个物理量存在最小的不可分割的基本单位则这个物理量是量子化的并把最小单位称为量子。 “量子化”指其物理量的数值是离散的而不是连续地任意取值。 例如光是由光子组成的光子就是光量子就是一种量子。 而光子就不存在半个光子、三分之一个、0.18个光子这样的说法。 是不是有点晕别急我们总结一下 量子一词来自拉丁语quantum意为“有多少”。量子不是具体的实体粒子。量子是能表现出某物理量特性的最小单元。量子是能量动量等物理量的最小单位。量子是不可分割的。…… 不知道有没有明白一些 我相信不少童鞋就已经落荒而逃了。 没明白也不用气馁非物理学专业的童鞋确实很难理解量子这个概念。敢于承认自己不懂也是很了不起的。 不管怎么样大家就先记住一点——光子就是一种量子。后面我们会用到这句话。 Part.2 量子知识体系的分类 首先我们先看一下量子信息的学科分类。 量子信息结合了量子力学和信息科学的知识属于两者的交叉学科。 而量子信息又分为了量子计算和量子通信。大家经常听说的量子计算机就属于量子计算和我们今天介绍的量子通信有很大的区别。量子通信分为“量子密钥分发”和“量子隐形传态”。它们的性质和原理是完全不同的。 简单来说“量子密钥分发”只是利用量子的不可克隆性对信息进行加密属于解决密钥问题。而“量子隐形传态”是利用量子的纠缠态来传输量子比特。 接下来我们分别介绍一下它们。 Part.3 量子密钥分发 ▋ 3.1 密钥的重要性首先我们先来看看一次正常的传统加密通信是怎么实现的 步骤1A先写好明文。步骤2A通过加密算法和密钥对明文进行一定的数学运算编制成密文。步骤3密文被传递给B。步骤4B通过解密算法加密算法的逆运算和密钥进行相应的“逆运算”把密文翻译还原成明文。步骤5B阅读明文。这种加密通信的关键要素大家都看出来了就是密钥。 对于第三方来说获得密文非常容易——如果你用无线电传输密文无线电是开放的对方很容易截获。如果你用有线介质通讯距离几千公里也很难保证每一处的安全。 以我们现在使用最多的光纤为例它就很容易被窃取信息光纤弯曲窃听示意图通过弯曲光纤外泄部分光信号进行窃听 所以传递的信息必须经过加密才能保证安全。而加密使用的密钥非常关键。当年二战就是因为美军破解了日军的密钥结果将山本五十六的座机击落。英军也是因为借助图灵的帮助破解了德军的密钥最终获得战争优势。关于密钥最初人们使用的是密码本后来是密码机再后来就是RSA等加密算法。 加密算法出现时因为人和机器的算力有限所以破解一个算法很慢难度很大时间很长。 现在有了计算机、超级计算机算力越来越强大破解算法的速度也越来越快—— RSA512算法在1999年就被破解RSA768在2009年被破解MD5和SHA-1两大密算也已告破…… 在这种情况下没有任何密钥是绝对安全的。再复杂的算法破解起来只是时间和资源的问题。 那么究竟怎么样才能实现真正的绝对安全 信息论创始人通信科学的鼻祖伟大的克劳德·香农先生总结提出了“无条件安全”的条件密钥真随机且“只使用一次” 与明文等长且按位进行二进制异或操作 这样的方法理论上是不可破译的香农对它进行了严格的理论证明。 但它也有缺点就是需要大量的密钥而密钥的更新和分配存在漏洞存在被窃听的可能性 所以不解决密钥分发的问题就不可能实现无条件安全。这也导致了在香农发布了这一成果之后根本没有人能够使用这种方式。 而量子密钥分发就是为了解决这个问题 ▋ 3.2 量子密钥分发的工作原理 注意前方高能预警请务必跟上小枣君的思路 1984年IBM公司的研究人员Bennett和蒙特利尔大学的学者Brassard在印度召开的一个国际学术会议上提交了一篇论文《量子密码学:公钥分发和拋币》(Quantum cryptography:Public key distribution and coin tossing)。 他们提出了BB84协议。该协议把密码以密钥的形式分配给信息的收发双方因此也称作“量子密钥分发”。 具体的原理如下 因为光子有两个偏振方向而且相互垂直。 所以单光子源每次生成的单个光子可以是这样我们可以简单选取“水平垂直”或“对角”的测量方式我们称之为测量基对单光子源产生的单光子进行测量。 当测量基和光子偏振方向一致就可以得出结果要么是1要么是0 当测量基和光子偏振方向偏45°就不能得出准确的结果。 光子就会变化偏振方向改变45°那么就是1或0的概率各50%。 所以两种测量基对不同偏振方向光子的测量结果归纳如下 好了原理就是这样。 生成一组二进制密钥的过程如下注意下面所说的过程都是为了生成密钥不是在发送信息报文本身 发送方我们先称为A首先随机生成一组二进制比特所谓的经典比特0或1这种。 例如A对每1个比特随机选择测量基。 例如所以发送的偏振光子分别是见下图中虚框接收方我们先称为B收到这些光子之后随机选择测量基进行测量 例如依次选择以下测量基那么测量结果如下见虚线框内 A和B通过传统方式例如电话或QQ不在乎被窃听对比双方的测量基。测量基相同的该数据保留。测量基不同的该数据抛弃。 保留下来的数据就是最终的密钥。下图中1001就是密钥 如果存在一个窃取者我们称为C。 如果C只窃听A和B对比测量基那C会得到这样的信息不同不同相同相同不同不同相同相同 这个对他来说没有任何意义。 C只能去测量A到B的光子。 注意因为量子的不可克隆性C没有办法复制光子。 C只能去抢在B之前进行测量劫听。 如果C测量他也要随机选择自己的测量基。 那么问题来了如果C去测量刚才那一组光子他有一半的概率和A选择一样的测量基光子偏振方向无影响还有一半的概率会导致光子改变偏振方向偏45°。 如果光子的偏振方向改变那么B的测量准确率肯定受影响 没有C的情况下A和B之间采用相同测量基的概率是50%。所以A和B之间拿出一小部分测量结果出来对比有50%相同。 有C的情况下A和C之间采用相同测量基的概率是50%。B和C之间采用相同测量基的概率是50%。所以A和B之间拿出一小部分测量结果出来对比有25%相同。 由此可以判定一定有人在窃听。通信停止当前信息作废。 对于单个比特来说C有25%的概率不被发现但是现实情况绝对不止1个比特肯定是N个数量级的比特所以C不被发现的概率就是25%的N次方。 稍微懂点数学就知道这个数值的恐怖 25%的10次方9.5367431640625e-725%的20次方9.094947017729282379150390625e-13…… 也就是C不被发展的概率极低极低。 能理解了吗希望你跟上了思路如果逻辑思维能力OK这个过程应该是不难理解的。 总而言之量子密钥分发其实叫量子密钥协商更为准确使通讯双方可以生成一串绝对保密的量子密钥用该密钥给任何二进制信息加密都会使加密后的二进制信息无法被解密因此从根本上保证了传输信息过程的安全性。 ▋ 量子密钥分发的争议 其实如果稍加思考就会发现这种密钥分发方式存在一个问题那就是—— 这个方式只能发现窃听者不能保证通信的稳定性 你想如果窃听者不停地窃听怎么办A和B虽然可以随时察觉被窃听但是他们所能做的就是停止通信啊。如果通信停止了那通信的目的就达不到了啊。 所以业内对量子通信的争议很大一部分就在于此 “如果窃听者消失了那么任何密码技术都是多余的。” 反对者的逻辑是如果乌龟躲在乌龟壳里面它一伸出头鸟就啄它那么它只能缩回去它再伸鸟再啄它就永远没机会吃东西只能饿死。 支持者的逻辑是通信的保密性要大于消息的稳定性。如果确认不安全那宁可不传。如果我和你说话我发现有人偷听那我就不说。但是正常情况下我们不可能坐以待毙我们肯定会派人去抓出窃听者量子通信里根据计算很容易找到窃听点。 对方不可能明知道会被抓还坚持窃听再多的窃听者也不够抓的。 “通信密钥分发”方式的量子通信就是拥有随时发现窃听者的能力给窃听者以震慑以此保卫自己的通信安全。 如果真的是对方鱼死网破全力阻止你通信那么不仅是量子通信任何通信模式都是无力抵御的针对无线通信的信号干扰和压制、针对有线通信进行轰炸和破坏。 世界上最可怕的就是你的通信被窃听了而你自己却不知道。 难道不是吗 Part.4 量子隐形传态 接下来我们来说说量子通信的另外一种方式——“量子隐形传态”。 如果说量子密钥分发只是量子力学应用于经典通信的一个小应用加了把量子锁那量子隐形传态就是“真正”的量子通信了。 解释量子隐形传态之前我们必须先解释两个重要概念——“量子比特”和“量子纠缠”。 ▋ 量子比特 我们目前进行信息存储和通信使用的是经典比特。 一个经典比特在特定时刻只有特定的状态要么0要么1所有的计算都按照经典的物理学规律进行。 但量子比特和经典比特不同。 量子信息扎根于量子物理学一个量子比特qubit就是0和1的叠加态。 相比于一个经典比特只有0和1两个值一个量子比特的值有无限个。直观来看就是把0和1当成两个向量一个量子比特可以是0和1这两个向量的所有可能的组合。表示量子比特的Bloch球 Bloch球的球面代表了一个量子比特所有可能的取值。 但是需要指出的是一个量子比特只含有零个经典比特的信息。 因为一个经典比特是0或1即两个向量。而一个量子比特只是一个向量0和1的向量合成。就好比一个经典比特只能取0或者只能取1它的信息量是零个经典比特。 ▋ 量子纠缠 量子力学中最神秘的就是叠加态而“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。 一对具有量子纠缠态的粒子即使相隔极远当其中一个状态改变时另一个状态也会即刻发生相应改变。 例如纠缠态中有一种无论两个粒子相隔多远只要没有外界干扰当A粒子处于0态时B粒子一定处于1态反之当A粒子处于1态时B粒子一定处于0态。是不是想到了虫洞 这种跨越空间的、瞬间影响双方的“量子纠缠”曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”(spooky actionat a distance)。爱因斯坦以此来质疑量子力学的完备性因为这个超距作用违反了他提出的“定域性”原理即任何空间上相互影响的速度都不能超过光速。这就是著名的“EPR佯谬”。大神之间的较量 后来物理学家玻姆在爱因斯坦的“定域性”原理基础上提出了“隐变量理论”来解释这种超距相互作用。 不久物理学家贝尔提出了一个不等式可以来判定量子力学和隐变量理论谁正确。如果实验结果符合贝尔不等式则隐变量理论胜出。如果实验结果违反了贝尔不等式则量子力学胜出。 但是后来一次次实验结果都违反了贝尔不等式即都证实了量子力学是对的而隐变量理论是错的。 2015年荷兰物理学家做的最新的无漏洞贝尔不等式测量实验基本宣告了爱因斯坦定域性原理的死刑。 ▋ 量子隐形传态 理解了量子纠缠我们就可以理解“量子隐形传态”了。 由于量子纠缠是非局域的即两个纠缠的粒子无论相距多远测量其中一个的状态必然能同时获得另一个粒子的状态这个“信息”的获取是不受光速限制的。于是物理学家自然想到了是否能把这种跨越空间的纠缠态用来进行信息传输。 因此基于量子纠缠态的量子通讯便应运而生这种利用量子纠缠态的量子通讯就是“量子隐形传态”quantumteleportation。 量子隐形传态的过程即传输协议一般分如下几步 1制备一个纠缠粒子对。将粒子1发射到A点粒子2发送至B点。 2在A点另一个粒子3携带一个想要传输的量子比特Q。于是A点的粒子1和B点的粒子2对于粒子3一起会形成一个总的态。在A点同时测量粒子1和粒子3得到一个测量结果。这个测量会使粒子1和粒子2的纠缠态坍缩掉但同时粒子1和和粒子3却纠缠到了一起。 3A点的一方利用经典信道就是经典通讯方式如电话或短信等把自己的测量结果告诉B点一方。 4B点的一方收到A点的测量结果后就知道了B点的粒子2处于哪个态。只要对粒子2稍做一个简单的操作它就会变成粒子3在测量前的状态。也就是粒子3携带的量子比特无损地从A点传输到了B点而粒子3本身只留在A点并没有到B点。 以上就是通过量子纠缠实现量子隐形传态的方法即通过量子纠缠把一个量子比特无损地从一个地点传到另一个地点这也是量子通讯目前最主要的方式。 需要注意的是由于步骤3是经典信息传输而且不可忽略因此它限制了整个量子隐形传态的速度使得量子隐形传态的信息传输速度无法超过光速。 因为量子计算需要直接处理量子比特于是“量子隐形传态”这种直接传的量子比特传输将成为未来量子计算之间的量子通信方式未来量子隐形传态和量子计算机终端可以构成纯粹的量子信息传输和处理系统即量子互联网。 这也将是未来量子信息时代最显著的标志。 注上述过程描述文字直接引用了互联网文章《独家揭秘量子通信如何做到“绝对安全”》 张文卓 中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科学技术大学上海研究院 Part.5 量子通信的发展 好了以上就是关于量子通信的理论知识。接下来我们来说说量子通信在行业中的发展情况。 近年来量子通信技术取得了长足的进展也引发了巨大的争议。 先看看发展 1993年首次提出了量子通信Quantum Teleportation的概念。1997年首次实现了未知量子态的远程传输。2012年首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。2016年8月16日世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射。2017年7月13日世界首个大型商用量子通信专网在济南测试成功。2017年全球首条量子通信“京沪干线”建成。…… 可以说量子通信的发展速度非常之快。 从城域到城际从陆地到卫星量子通信的实验和落地在不断取得进展。 提到量子通信肯定不可避免会提到一个人他就是中国科学院院士潘建伟。 潘建伟院士 潘院士长期从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究对量子通信等研究有创新性贡献是该领域的国际著名学者。 他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”。 正因为他中国量子通信研究处于世界领先的地位。他个人和团队也因此收获了大量的荣誉。 但是量子理论目前仍然是一个充满争议的理论量子通信的意义和价值也一直受到某些人的质疑。量子通信产业过度追捧资金大量涌入相关企业市值暴涨市场表现得空前浮躁。潘建伟本人也一直备受争议。有人说他骗取研究经费也有人说他名不副实。 其实小枣君觉得这个世界真的能懂这个技术的人本身就不多。正因为不懂所以人们要么盲目相信、押宝要么质疑、谩骂。有些人只是眼红或嫉妒不懂装懂大泼脏水。很多人其实就是跟着起哄并不是真的关心这项技术。 在科学研究的历史长河中没有谁是一定对的也没有谁是一定错的。不管对和错都应该用论文和实验来证明而非谩骂和诽谤。 量子理论如果是错的那也许会带来认知的更大突破。如果是对的那就意味着计算技术和通信技术的全新革命。不管怎么样研究它探索它都是一件有意义的工作。 时间终归会告诉我们最终的答案。福利扫描添加小编微信备注“姓名公司职位”加入【云计算学习交流群】和志同道合的朋友们共同打卡学习
推荐阅读
你每天都在使用的HTTP协议到底是什么鬼龙芯新款处理器发布Citrix 产品曝“惊天漏洞”影响全球 8 万家公司 AMD发布年度5大里程碑 ……Hinton、吴恩达们也“吹牛”炒作媒体和研究人员共谋AI圈误导信息泛滥你的 App 在 iOS 13 上被卡死了吗2019 最烂密码排行榜大曝光网友已中招不用失去控制权和所有权也能在区块链中通过数据共享获得奖励真香朕在看了
