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關於量子通訊的科學普及 量子通訊不是最近才開始做的,也不是隻有中國在做,最早開始做這方面研究的是美國,有三十多年了。只是中科大最先取得突破進展和領先地位。 一般的光是多種波長、多方向、多個光子的不間斷髮射。鐳射是單一波長、多個方向、多個光子的不間斷髮射。兩個同波長,方向正交(糾纏)的光子稱為光量子糾纏。每次發出一對相互糾纏的量子到兩個地方,收到的相關糾纏的量子就可以知道對方收到的量子狀態。這種通訊是一對一的,不可複製,不可偽裝。傳統的光通訊和微波通訊、電訊號通訊都是一對多的,或者說是廣播式通訊,存在擷取複製、偽裝的可能。而量子通訊不可能被擷取還不知道,所以不可複製、不可偽裝,從物理上保證了通訊安全。量子糾纏、量子通訊的原理不是新鮮事物,困難在於相關糾纏的量子製備、分發、傳輸。 在我們讀書時物理光學,量子力學都有相關內容。只是那時沒有對單個光子的檢測能力,不認為有什麼應用價值。 這個問題前一段時間討論的很多,主要是對量子糾纏現象不理解。因為光量子糾纏或者說是光子振動方向是物理光學和量子力學中的內容,這些課程很偏,學過的人很少,並且不是課程的主要內容。所以絕大部分人不知道或不理解很正常。
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  • 1 # 科技袁人袁嵐峰

    非專業人士要對量子糾纏和量子通訊這兩個概念產生比較準確的瞭解,而不是被偽科學宣傳帶到溝裡去,應該知道以下幾個要點。

    一,量子糾纏和量子通訊都來自量子力學。量子力學是對微觀世界運動規律的本質描述,是人類目前最基礎的兩大物理理論之一(另一大基礎物理理論是廣義相對論,量子力學和廣義相對論如何統一起來,是個尚未解決的問題)。

    二,量子這個詞是個數學概念,意思是“離散變化的最小單元”。什麼叫離散變化?你統計人數的時候,只能有一個人、兩個人,不能有半個人。你上臺階的時候,只能上一個臺階、兩個臺階,不能上半個臺階。這些就是離散變化,這些例子裡的一個人、一個臺階就是相應的量子。微觀世界的許多性質都是離散變化的,所以描述微觀世界的物理理論被命名為量子力學。

    三,量子糾纏是一種多粒子體系的現象,單個粒子是沒有量子糾纏可言的。在量子力學中,兩個或更多粒子的體系可以處於這樣一種稱為“糾纏態”的狀態:在數學上,它不能分解成多個單粒子狀態的乘積。在物理上,這意味著你不能說粒子1處於某狀態,粒子2處於某狀態,而只能說這個體系整體處於某狀態。當你對粒子1做測量的時候,就強迫粒子1隨機地獲得了一個明確的狀態,與此同時粒子2也得到了一個明確的狀態,而這兩個粒子的狀態之間具有確定的關聯,例如必然相同或者必然相反(這個關聯是由測量之前那個糾纏態的數學形式決定的)。你在測量之前,可以預測測量後兩個粒子狀態之間的關聯,但不能預測單個粒子的狀態。

    四,量子糾纏沒有推翻相對論,沒有證明靈魂存在,沒有證明上帝存在,沒有意味著高維空間的存在,——這些都是常見的胡扯。

    五,量子糾纏的機制,就是量子力學。學了量子力學,你就會明白這種現象的原理。不學量子力學,你就肯定不會明白,看再多的比喻也沒用。這就好比你要知道飛機為什麼能飛,就必須學空氣動力學,舍此別無他途。

    六,量子力學和資訊科學結合,產生了一門新學科“量子資訊”。正如資訊科學的研究主題包括通訊和計算,量子資訊也分為量子通訊和量子計算。

    量子資訊學科內容

    八,量子密碼術做的是:不透過信使,讓通訊雙方直接分享金鑰。簡而言之,就是李玉和、餘則成等信使可以光榮下崗了。之所以能做到這一點,就是利用了量子力學的特性。

    九,通訊雙方獲得金鑰之後,就可以用這個金鑰給明文加密,然後放心大膽地用任何傳統的通訊方法來傳輸密文,因為這個密文是絕對不可破譯的(資訊理論裡有個定理證明了這一點)。

    十,所以你可以看明白,量子密碼術是一種保密的方法,不是許多人腦補的超時空傳輸。

    十一,量子密碼術有若干種實現方法,有些用到量子糾纏,有些不用量子糾纏。實際上,大多數實驗都不用量子糾纏,這樣效果還更好。許多文章說量子通訊離不開量子糾纏,這是錯誤的!

  • 2 # 沈大哥

    謝謝邀請。1.量子糾纏是微觀粒子特有狀態。什麼是“糾纏”呢?舉個例子,母女是一家人,母親在北京,女兒在上海。女兒生了兒子,北京的母親不管知不知道,馬上變為了祖母,北京的“母親”變為“祖母”是與上海的女兒變為“母親”是同時的。並不需要時間來傳遞這一資訊。這就是“糾纏”。條件是必須是“一家人”。2.系統和狀態。量子糾纏中發生糾纏的兩個粒子也必須是“一家人”,物理學中說成是“同一個系統”。不過兩個粒子不是母女關係,我們識別這兩個粒子的物理特徵是“狀態”。什麼是狀態呢?還是以兩個人為例。甲乙二人,甲頭朝上,乙也頭朝上,這叫系統中的甲乙二人具有同一(相同)狀態。甲頭朝上,乙頭朝下,(或甲頭朝下,乙頭朝上)叫做系統中甲乙二人具有相反狀態。3.微觀粒子充斥我們周圍空間,但是兩兩粒子間並不發生糾纏,這是因為它們不處於“同一系統中”。因為“處於同一系統中”是量子糾纏的前提條件。怎麼樣才能獲得“同一系統中”兩個粒子呢?可以想辦法將一個粒子一分為二。由於分開後的二個粒子來自於同一粒子,這二個粒子就是同處於一個系統的互相糾纏的粒子了。4.量子分發。如從“墨子號”上把處於同一個系統中的兩個粒子一個發往北京,一個發`住上海,叫量子分發。5..量子狀態操縱。如果對北京的量子狀態進行改變(比如把頭朝上的人變為頭朝下),上海的那個量子也同時發生相應的改變。這種“改變數子狀態的操作”叫量子操縱。系統中兩個粒子同時改變狀態,這就是我們說的量子糾纏狀態。6.量子金鑰。還是以人為例。頭朝上和頭朝下對應0和1兩個數來進行編碼(現在的電子計算機中是用電流的“通”,“斷”來對應0和1兩個數實現編碼的)。不同的狀態構成的數碼,形成量子密碼。7.量子金鑰保密原理。能收到量子密碼的接收機的量子訊號一定是與傳送量子密碼的傳送機的量子是“同一系統中”的量子,所以其它接收機是不可能接收到這一編碼的,所以“破譯”量子密碼也無從談起。8.在常規的電子通訊訊號前加上量子密碼,就可實現量子保密通訊了。

    學物理的都知道量子力學是大學四大力學(理論力學,電動力學,熱力學,量子力學)中最難學的一門課程。大部分學生學得一頭霧水,畢業後除一些量子名詞以外,全部還給了老師,成了“小白”,其水平跟“民科”差不多。但願我這個“小白”的解釋能給你啟發。

  • 3 # 蘇申js

    量子糾纏原理很簡單,一束光(有很多光子)透過同一個光偏鏡,那麼其偏振角是一樣的,就是量子糾纏了。偏振角的正反(180度)或者正交(90度),可以分別作為0,1,甚至00,01,10,11態發射,作為密碼。這個比傳統的有無作為0,1更難破解。缺點是目前只有光子才能實用,因此傳統電磁波傳輸方式失效了,光纜通訊是最適合的,只要在兩段發射接受裝置改為量子發射接收機即可,中繼也一樣,不過中繼量子增強還是有點技術難度的。最大的難度是在空間傳輸,光不像電磁波,會受到Sunny干擾,因此墨子號只能在晴朗的夜空正常工作。還有,要想確保保密,密碼要一碼一用,密碼要足夠長(與傳統通訊一樣),這樣使得量子通訊的效率(速率)很低,只能傳送檔案,不能影片對話。 那次與奧地利的影片對話是犧牲了量子保密密碼長度,只是利用了墨子號衛星的通訊中繼而不能稱為真正意義的量子通訊。

  • 4 # 懷疑探索者

    有一點,你說對了。量子通訊,最早開始做這方面研究的是美國,有三十多年了。只是中科大最先取得突破進展和領先地位。

    感謝提主的提問,這個問題很有意思。先說說兩者的關係,再一一解釋吧。簡單來講,量子糾纏是量子力學中的一種物理原理,而量子通訊就是這種量子糾纏效應進行資訊的傳遞,發展成的一種新的通訊方式。

    現在我們再來做一個一個的解釋。

    所謂量子糾纏,量子糾纏是粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響的現象,雖然粒子在空間上可能分開。簡單來說,就是不管兩個粒子距離再遠,都會互相影響,一個粒子的行為將會影響另一個的狀態。當其中一顆被操作(例如量子測量)而狀態發生變化,另一顆也會即刻發生相應的狀態變化。愛因斯坦將量子糾纏稱為“鬼魅似的遠距作用。

    這個很好理解了吧?

    中國在這方面也發展的比較好,2016年12月,從中國科學技術大學獲悉,潘建偉院士及同事陸朝陽、陳宇翱等近期在量子資訊科研領域再獲重大突破,他們透過兩種不同的方法制備了綜合性能最優的糾纏光子源,首次成功實現“十光子糾纏”,再次重新整理了光子糾纏態製備的世界紀錄。

    我們再來看看量子通訊。光量子通訊主要基於量子糾纏態的理論,使用量子隱形傳態(傳輸)的方式實現資訊傳遞。根據實驗驗證,具有糾纏態的兩個粒子無論相距多遠,只要一個發生變化,另外一個也會瞬間發生變化,利用這個特性實現光量子通訊的過程如下:事先構建一對具有糾纏態的粒子,將兩個粒子分別放在通訊雙方,將具有未知量子態的粒子與傳送方的粒子進行聯合測量(一種操作),則接收方的粒子瞬間發生坍塌(變化),坍塌(變化)為某種狀態,這個狀態與傳送方的粒子坍塌(變化)後的狀態是對稱的,然後將聯合測量的資訊透過經典通道傳送給接收方,接收放根據接收到的資訊對坍塌的粒子進行么正變換(相當於逆轉變換),即可得到與傳送方完全相同的未知量子態。

    當然,以上都是讓人非常粗淺的瞭解一些關於量子力學的概念,遠遠不能說是入門。

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