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到底啥是“量子通信”

要了解到底什么是“量子通信”,
让我们从三个问题开始着手:


“量子通信”是干啥的?


为啥?


咋弄的?




“量子通信”是干啥的?

用最通俗的方式解释就是

“加密”“传输”



 

用专业术语叫“量子密钥分配”和“量子态传输”


先说加密


为啥要加密?咋加密?

加啥蜜?好吃不?



因为我们传输的信息在介质中传播时很容易被第三方窃取,所以我们要在发送的内容中加入密码,使得窃取者无法破译内容。接受者提前知道密码的破解方法。而窃取者无法破译内容。


举一个过时的例子,

比如二战时德国军方使用的

“恩尼格码”机

恩尼格码机内置了多个转子,每个转子对应不同的26个字母,也就是说,只要发送者敲下一个字母就会出现26的N次方种可能,而其中规律只有德国军方自己才知道,如果盟军截获了信息,靠人工推演,可能要花费上万年才能破译。


以前的加密方法已经这么安全,

那还要量子通信加密有什么用?


可是随着人工智能的出现以及发展,

传统的数字迭代式的加密方法(经典密码)会被计算机分分钟破译





伟大的阿兰图灵,将人工智能的概念用于密码破译,成功破解了“恩尼格码”,提前结束了二战,更为世人留下了宝贵的遗产——计算机



密码分分钟被破,怎么办?



香农,这位某种意义上说伟大程度已经不亚于甚至超过他的远方亲戚爱迪生的伟大科学家,提出一个解决办法:

一次一密


简单说就是每一次发送信息都采用新的密钥


每次都用新的密钥,岂不是接受者也蒙圈?那么发送者就需要每次都把新的密钥发送给接受者。



恩,稳妥



这时候问题来了,密钥在传输的时候会被窃取啊!


我是一个小插曲




如果有人窃取我的信息,难道我发现不了吗?


对,发现不了


我们都知道现在通信系统传输的介质无非是光纤。


举一个例子



S给B发送了一个名为m的密钥,但是中间被A窃取,A拿到密钥后又复制了一份继续发送给B,B此时无法得知密钥已经被人窃取!但是A已经可以在神不知鬼不觉的情况下进行对信息的解密。




插完了



所以能否发现窃听者成了解决通信加密的一个关键问题。


为了解决这个问题“量子通信”终于可以闪亮登场了!



随即出现了开篇时的第二个问题:


为啥?


为啥量子通信可以帮助我们发现窃听者?


首先让我们回忆一下刚才S和B之间通信被窃听时的情况



我们看到,当A窃取密钥时,首先要对密钥进行截取,然后复制,我们称这个过程为测量、复制,那么有没有一种东东是一旦被测量我们就会发现呢?



有!



不但有,而且有人对这一特性设计了一个理想模型,这个人就是——薛定谔


这个理想模型就是“薛定谔的猫”



这只可能是世界上最惨的猫被关在一个封闭的铁箱子里,铁箱子里有一个装着放射性元素的仪器,同时这个仪器连接着一个锤子,一旦放射性元素发生衰变,释放出α元素,锤子就会落下,击碎一个装满氰化物的毒气瓶,毒气释放,猫咪必死无疑。


放射性元素早晚都会衰变,我们都知道放射性元素有半衰期,但具体什么时间衰变没有人知道,也就是说没有人知道这只猫什么时候死,什么时候活,除非打开箱子看,也就是说只要不打开箱子,这只猫就处在一种既活着又死了的状态,半死不活!


我们把猫咪的这种状态叫做:

“量子叠加态”

也就是既“活”又“死”的叠加态


那我打开还不行么?小咪咪好可怜



如果打开箱子对猫的死活进行验证,也就是进行测量,那么猫的那种“量子叠加态”,既活又死、半死不活的状态就会轰然坍塌,因为一旦你打开盒子得到的结果要么是“活”,要么是“死”,未知的生死的叠加态将难以还原复制


这种现象叫“波函数塌缩”


我们一旦对薛定谔的猫进行测量,就会改变实验模型的状态,波函数就会塌缩,这不正是我们想要的特性么?


——只要测量就会被发现


那什么东西才满足这样的特性呢?

我不能拿猫去做通信媒介吧?


答案不言而喻,那就是“量子”




不甚严谨的讲,所谓“量子”者,“小丢丢”也

我们把原子、中子、质子、电子、光子这些个微观粒子都可以统称为“量子”


第三个问题


咋弄的?


为啥量子就有这个特性?

怎么利用的这个特性呢?

还加密了你咋不上天呢?




打个比方,我们把量子看成在做高速震动的球,因为这个球很小,震动的速度又很快,所以我们无法知道这个球某个时刻点在具体的什么位置(测不准原理),但是,我们可以知道这个球震动的方向和规律,也就是量子偏振的向量




大概就是这个样子,量子震动的方向有垂直、水平、逆时针45度、顺时针45度,四种情况。


那么在测量这四种情况的时候我们就可以利用互相垂直的测量基,你可以简单的把它理解成互相垂直的通道,长下面这个样子




大家可以试想一下,上下垂直震动的球球可以顺利的通过十字的测量基,斜45度垂直震动的球球都可以通过×状的测量基。那不就达到测量的目的了吗?


等一下!


那如果↑↓震动的球球通过X状的测量基会发生什么情况?

答案是:测量会导致量子态改变,也就是量子偏振方向会发生改变


举一个不恰当但非常生动的例子



这个人摆了一个十字造型,但是他要通过下面这个形状的门




没办法,他只好把身体的造型改成:



也就是说:



       

这个人就是具有偏振的量子,而这个大字门就是测量基。


那么再看量子的测量

如果一个↑的量子通过X形状的测量基,那么↑的状态就会被改编为50%↗

和50%↘


也就是说一旦发生错误的测量,那么量子的状态就会被改变!


此时如果出现窃听者,窃听者不可能百分之百用对的测量基对量子进行测量,那么只要用到错误的测量基,那么量子的偏振态就会发生改变!



也就是说只要有窃听者想偷取密钥,那么他必须先对量子进行测量读取,一旦他对量子进行测量,就会对量子的状态进行改变(这就是我们之前说到的波函数塌缩),那么量子的状态一旦改变,接受者就会很容易发现窃听者的存在,从而进行应对。保障信息的绝对安全!!


我们的问题终于解决啦!

小小总结一下

量子通信干啥的

答:加密和传输


为啥要用量子通信加密?

答:因为传输密钥时可能会被窃听,而窃听者又无法被发现。


那量子通信为啥就能发现窃听者

答:因为量子一旦被测量,状态就会改变(试验模型薛定谔的猫),窃听者就会被发现


等等,不是说量子通信还可以传输吗?(量子态传输)

欲知后事如何,且听下回分解


本文投稿作者:君湿

网优雇佣军投稿邮箱:wywd11@126.com

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