查看原文
其他

细解“墨子”:量子界的洪荒之力

2016-08-17 中国科普博览
近日,我国成功发射了世界上首枚量子通信卫星“墨子号”,并且伴随着地面 “京沪干线”的建设完成,将首次实现“天地一体化”的量子通信网络的构建,真正奠定了中国在量子通信领域“老大哥”的地位。
“墨子号”的升空绝对称得上是量子通信领域的大事件,有一种拿了金牌的民族自豪感。
但是,作为一个自豪的中国人,你真的明白自己在骄傲些什么吗?
中国科学院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟
量子通信这个神秘感十足的词汇到底包含多少你不懂的“冷知识”?在享受着中国科研扬眉吐气般喜悦的同时,我们也深深地感受到来自量子世界的“洪荒之力”,这必定是一个超乎想象的奇妙世界,也是一个很多人不了解的神秘世界。
那就让量子通信领域的大咖——中国科学院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟,带我们走进神奇的量子世界。
“量子”为何物


量子是构成物质的最基本单元,能量的最基本携带者 ,不可分割。以我们最熟悉的“光量子”为例,作为光能量的最小单元,不存在“半个光子”。光的能量都是以光量子的能量为单位逐份变化的,并且这种变化不是连续的。在量子物理学的理论体系中,大多数物理量的值都是不连续、离散式地变化的
这样的观点在提出之初是难以为人所接受的,因为它与经典物理学中物理量都是连续变化的观点是截然不同的。然而,大量的实验事实让科学家们逐渐接受了这一新的理论,并且归纳总结出诸如“量子叠加态原理”、“概率性测量原理”等,建立了现在的量子物理科学
 量子理论之父普朗克
给你一个“绝对”安全的理由


从摩斯电码到电报、传真,从移动电话到网络通信,通信技术的发展在为人类提供便利的同时也带来了通信安全的隐患。但是量子通信技术的出现,就能够完美地解决信息传输过程中的安全问题,真正做到“绝对”安全。那么实现绝对安全的理由是什么呢?潘建伟做出了如下的解答。
量子通信作为绝对安全的信息传送方式,主要体现在光量子的不可分割性上。由于光量子的不可分割性,所以在单光子发射的情况下,窃听者无法采用将光子分成两半,一半用于获得密钥,一半传输给接收方的方式避免被发现。同时,光量子还具有无法克隆性,因为光子是无法准确测量的,所以更无法被窃听者复制,即无法通过准确测量光子,克隆出一个一模一样的光子从而获取信息。换句话说,在量子通信传输信息的过程中,一旦信息被窃取,就一定会被发现。
另外,随着计算机运算性能的不断提高,以及量子计算机的研制与发展,经典传统的公钥算法(RSA)受到冲击。相较于只能依靠密码长度和复杂性保证安全性的RSA算法而言,量子通信可以真正做到“一次一密”,从而真正实现密码无法被破译。这也是量子通信技术能够实现“绝对安全”的重要理由。
量子通信概念图
神奇的力量——量子纠缠

量子纠缠现象是量子科学领域最古怪但也是最神奇的性质之一,因为它能够产生“幽灵般的超距离互动”。毫不夸张地讲,也许未来人类能够利用量子纠缠这一特殊性质真正实现“瞬间移动”。那这种性质究竟有怎样的奇妙之处呢?
想要理解量子纠缠有多么的诡异,我们通过电子的自旋这一典型的例子来解释。电子的自旋与实际物体的旋转有着巨大的不同,其旋转的状态总是不确定的,直到观测的某个瞬间才能够确定。而量子纠缠理论认为,假设有两个相互纠缠的电子对,即使它们一个在地球一个在月球,二者之间没有任何传输线相连。如果你在某个时刻观测到其中一个的自旋状态,那么另一个电子在同一时刻的自旋状态也会相应的发生变化。也就是说,如果你对其中一个粒子进行观测,那么你不止是影响了它,你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴,而且这与两个粒子间的距离无关。
二者之间存在的这种奇妙的互动就是量子纠缠,也曾被爱因斯坦称作“幽灵般的超距离互动”。所以,在量子纠缠的帮助下,我们可以将另一个粒子的未知量子态传送到遥远地点,而不用传送这个粒子本身。利用这种诡异的互动,人类也许可以在未来实现科幻电影中的“瞬间移动”。
量子纠缠现象
量子科学的世界充满了经典物理学无法解释的神奇现象,但是科学家们正在通过不懈的努力一一验证这些听起来荒谬的理论。
作为量子力学的重要应用,近年来量子通信的飞速发展大大增加了人们对于量子科学的信心;作为量子通信领域的技术强国,中国正在用实力证明,人类渴望的绝对安全通信的梦想即将成为现实。

出品:科普中国

制作中国科普博览

监制:中国科学院计算机网络信息中心



“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。


▼▼▼

近期热点



扫描科普博览二维码

关注更多精彩

您可能也对以下帖子感兴趣

文章有问题?点此查看未经处理的缓存