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量子通信,到底是什么工作原理?(上)

助工
2019-09-16 16:28:16    评分

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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。

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  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。

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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。

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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

19001019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1214(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。

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普朗克的发际线演进过程。。。

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。

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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。

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而量子信息又分为了量子计算量子通信。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。

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量子通信,分为量子密钥分发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。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

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:


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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:


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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;RSA7682009年被破解;MD5SHA-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 

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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!

转帖自网络



助工
2019-09-16 22:18:39    评分
2楼

比较看好量子加密的应用!


专家
2019-09-18 23:46:54    评分
3楼

学习学习这高大上的新知识,谢谢分享。


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