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量子通信,到底是什么工作原理?

2019年08月29日 |智慧社區

很多概念,光是(shi)看名(ming)字,都讓人瑟(se)瑟(se)發抖(dou)——可是(shi),量(liang)子通信這幾年發展非(fei)常迅(xun)速(su),頻頻在各大媒體中(zhong)亮相,吸引了廣泛的關注。


量子通信這(zhe)幾年發展非常迅速(su),頻頻在各大媒體中亮相,吸引(yin)了廣泛(fan)的關注。


關(guan)注(zhu)之余,大家對(dui)它充滿了(le)好奇和(he)疑問,渴望對(dui)它有更深入的了(le)解。 所以(yi),盡管難度(du)很大,我還是決定努力給大家(jia)做(zuo)一個(ge)關于量子通信的專(zhuan)題(ti)介(jie)紹,幫(bang)助(zhu)大家(jia)建立對它的基本認知。

Part.1  什么是量子(zi)?

讓我們把穿越時空(kong),回到(dao)十(shi)九世紀(ji)末。 那個時代(dai),是(shi)經典物理學的巔峰時代(dai)。以牛頓大(da)神為代(dai)表的科學家(jia)們,在(zai)力學、熱(re)學、光(guang)學、聲學、電磁學方面取得了(le)突飛猛進的成就。



在世人看(kan)來,整個科學體(ti)系似(si)乎已經搭(da)建完成,無懈(xie)可(ke)擊(ji)。 但(dan)是,隨著時間的(de)進一步推移,科(ke)技發展又進入(ru)了新的(de)階段。大(da)量(liang)高精尖實(shi)驗儀器的(de)問世,幫助人們逐漸打(da)開了微觀世界(jie)的(de)大(da)門。 科學家(jia)們的(de)研究對象,從(cong)低速物(wu)(wu)體逐漸變(bian)成(cheng)了高(gao)速物(wu)(wu)體,再到音(yin)速、超音(yin)速、光速;從(cong)大型(xing)物(wu)(wu)體到小型(xing)物(wu)(wu)體,再到微觀物(wu)(wu)體。

科學家們發(fa)現,很多實驗結(jie)果都無法用經典(dian)物理(li)學解釋(shi),甚至(zhi)和傳統的理(li)論認(ren)知背(bei)道而馳。

 最為代表的,是「邁克爾遜-莫(mo)雷實驗」和「黑(hei)體輻射」。 這兩個概念非常復雜,限于篇幅,我就不詳(xiang)細解釋(shi)了。我們(men)只需要知道,「邁克爾遜-莫(mo)雷(lei)實驗」后來催生了大名鼎(ding)鼎(ding)的“相對論”。而(er)「黑體輻射」呢,催生了我們(men)今(jin)天的主角——“量子(zi)論”。 1900年10月19日,為了解決黑(hei)體輻射(she)的紫外災難,普朗克在(zai)德國物(wu)理學(xue)會上報告(gao)了關于黑(hei)體輻射(she)的研究結(jie)果,成為量子論誕生(sheng)和新物(wu)理學(xue)革命(ming)宣告(gao)開(kai)始的偉大時刻。在同年的(de)12月14日(ri)(歷史(shi)上也(ye)把(ba)這天認為(wei)是量子(zi)物理(li)的(de)誕(dan)生日(ri)),他發表了《關于正(zheng)常光(guang)譜(pu)的(de)能(neng)量分布定律》論(lun)文,得(de)到一個重要結論(lun):能(neng)量是由確定數目的(de)、彼(bi)此相等(deng)的(de)、有限的(de)能(neng)量包(bao)構成。


一個物(wu)理量存在最(zui)小的(de)不(bu)可分割的(de)基本單(dan)(dan)位,則這個物(wu)理量是量子化的(de),并把最(zui)小單(dan)(dan)位稱為量子。 “量子化”,指其物理量的數值是離散的,而不(bu)是連續地(di)任意取值。


例如(ru),光(guang)是(shi)由光(guang)子(zi)組成的,光(guang)子(zi)就是(shi)光(guang)量子(zi),就是(shi)一(yi)種量子(zi)。 而光子(zi)(zi),就不存(cun)在半個(ge)光子(zi)(zi)、三分之一(yi)個(ge)、0.18個(ge)光子(zi)(zi)這樣的說法。 是(shi)不是(shi)有點(dian)暈?別(bie)急,我(wo)們總(zong)結一(yi)下: 
  • 量子一詞來(lai)自拉丁語quantum,意為“有多少”。
  • 量(liang)子不(bu)是具體的實體粒(li)子。
  • 量子是能表現(xian)出某物理量特性的最小單元。
  • 量(liang)子是能量(liang)動(dong)量(liang)等(deng)物理(li)量(liang)的最小單位(wei)。
  • 量(liang)子是不可分(fen)割的(de)。
  • ……
 不知道有沒有明(ming)白(bai)一些(xie)?

沒明白(bai)也不(bu)用(yong)氣餒,非物理學專業的童鞋(xie),確實(shi)很(hen)難(nan)理解量子這個概念。敢于承認(ren)自己(ji)不(bu)懂(dong),也是很(hen)了不(bu)起的。 不管怎么樣,大家(jia)就先記住(zhu)一點——光子就是一種量(liang)子。     

Part.2 量子知識(shi)體(ti)系的分類

首先,我們(men)先看一下量(liang)子信息的學科分類。
 量子(zi)信息結(jie)合(he)了(le)量子(zi)力學(xue)和(he)信息科學(xue)的(de)知識,屬于(yu)兩(liang)者的(de)交叉(cha)學(xue)科。


而量(liang)子(zi)信息又分為了量(liang)子(zi)計算和(he)量(liang)子(zi)通信。大(da)家經常(chang)聽說的量(liang)子(zi)計算機,就屬于量(liang)子(zi)計算,和(he)我們今天介紹(shao)的量(liang)子(zi)通信有很大(da)的區別。


量(liang)子(zi)通(tong)信,分為(wei)“量(liang)子(zi)密鑰分發(fa)”和(he)“量(liang)子(zi)隱(yin)形傳態”。它們(men)的(de)性質和(he)原理是(shi)完全不同(tong)的(de)。 簡單來說,“量(liang)子(zi)密(mi)鑰分(fen)發”只是(shi)利(li)(li)用量(liang)子(zi)的(de)不可克隆性,對信(xin)息進(jin)行加密(mi),屬于解決密(mi)鑰問題。而“量(liang)子(zi)隱形傳(chuan)態(tai)”是(shi)利(li)(li)用量(liang)子(zi)的(de)糾(jiu)纏態(tai),來傳(chuan)輸量(liang)子(zi)比特。