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測量量子有啥用途(新知)

記者  吳月輝
2017年12月04日07:02 | 來源:人民網-人民日報
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  如果你拿一個儀器對量子進行測量,就會發現測量的結果完全隨機

  

  量子是物理世界裡最小的、不可分割的基本單元,是能量的最基本攜帶者。它是光子、質子、中子、電子、介子等基本粒子的統稱。可以說,整個世界都是由量子組成的。比如,日常生活中的光,就由大量光量子組成。

  我們要認識和了解量子,就必須知道量子物理狀態,比如它是如何運動的,能量有多大等。那麼,怎麼知道量子物理狀態呢?這就必須依靠測量。

  然而,量子很“調皮”,並不容易測量。這是因為,量子有著許多不同於宏觀物理世界的奇妙現象和特性,比如量子疊加。

  中科院量子信息與量子科技創新研究院、中國科學技術大學上海研究院副研究員張文卓說:“量子疊加現象在我們生活的宏觀世界裡是存在不了也無法維持的。在宏觀的經典世界裡,1就是1,2就是2。而在微觀的量子世界中,一個狀態可以存在於1和2之間,它既不是1,也不是2,但它既是1,又是2。”

  “這就好比孫悟空的分身術。一個孫悟空可以同時出現在多個地方,孫悟空的各個分身就像是他的疊加態。”中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉解釋道,“在日常生活中,一個人不可能同時出現在兩個地方。但在量子世界裡,作為一個微觀的客體,它能夠同時出現在許多地方。”

  張文卓說:“在我們生活的宏觀經典世界中,遵照的是經典力學規律。而在量子世界中,遵照的則是量子力學規律。在量子力學裡,光子(量子的一種)可以朝著某個方向進行振動,叫做偏振。因為量子疊加,一個光子可以同時處在水平偏振和垂直偏振兩個量子狀態的疊加態。許多科學實驗証明,因為量子疊加效應的存在,一測量就會破壞或改變量子的狀態。因此,如果你拿一個儀器對量子進行測量,就會發現測量的結果完全隨機。”

  既然量子如此難測量,那有沒有啥獨特的測量方式?

  “要測量基本粒子的性質,能用的東西最小也必須是基本粒子。打個比方吧,用刀切肉,刀需要比肉薄很多,才能切得更精准。但如果你想切的肉比你能找到的最薄的刀都薄,你就切不准了,還會把肉毀了。”張文卓解釋道,“量子世界裡的測量就是這麼難,你想測的東西極其脆弱,一碰就變,你也不可能找到更精細的工具去測。所以,在測量中要涉及各種各樣非常復雜的方法,比如各種激光、單光子探測器等。”

  量子密鑰分發這種量子通信方式是利用量子的不可復制性以及測量的隨機性來生成量子密碼

  通過測量量子,就可以了解量子的物理狀態,了解它的性質,從而更好地去應用它。比如,在量子通信中,對量子的測量就很關鍵。

  以量子通信中的量子密鑰分發為例,這種量子通信方式是利用量子的不可復制性以及測量的隨機性來生成量子密碼,給傳統的數字通信加密。

  張文卓說:“首先,它是以通信的形式在信息的收發雙方建立一組二進制密鑰,然后這組密鑰就可以給二進制信息加密了,這就是‘量子密碼’。量子密碼是利用光子的偏振態作為載體來傳輸的。發送方隨機地選擇光子的四個偏振態和兩種測量方式,一個接一個光子發送出去,接收方通過對一個個光子的偏振態隨機地選擇兩種測量方式測量(通常用單光子探測器進行測量),得到一組測量結果。由於量子測量結果的隨機性,需要用經典通信的方式進行相互比對各自的測量方式,選擇出其中一致的,那麼對應的測量結果就能當做密碼信息了,這就是最終的量子密碼。然后,再用量子密碼給想傳的傳統數字信息加密,加密后的信息內容,就可以通過各種傳統信道傳播,無論是微波還是激光都可以。”

  量子密碼之所以保密性強,也是因為量子測量的結果是完全隨機的,從而導致了生成的密碼也很隨機。

  “傳統通信的密鑰都基於非常復雜的數學算法,隻要是通過算法加密的,人們就可以通過計算進行破解。而在量子通信中,這種隨機的密碼,不按常理出牌,是無法通過傳統計算來破解的,因此安全性就非常高。”張文卓說。

  量子密碼能做到安全的極致,同樣還是因為量子測量的存在,會讓一個量子的狀態無法被復制。

  “量子測量的隨機性還決定了單個量子無法被精確復制,如果有人竊聽,他就需要去復制量子的狀態,但這樣就相當於對量子做了測量,就會隨機地改變量子的狀態。收發雙方一看狀態變了,立即就知道有人竊聽,就可以及時切換信道。因此量子密碼隻要成功地生成了,必定是收發雙方獨有的,沒有任何人能夠復制和竊聽到,可以說是‘天不知地不知,隻有你知我知’。”張文卓說。


  《 人民日報 》( 2017年12月04日 18 版)

(責編:沈光倩、楊虞波羅)

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