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测量量子有啥用途

2017-12-04 09:34 来源:人民日报 吴月辉

  如果你拿一个仪器对量子进行测量,就会发现测量的结果完全随机

  量子是物理世界里最小的、不可分割的基本单元,是能量的最基本携带者。它是光子、质子、中子、电子、介子等基本粒子的统称。可以说,整个世界都是由量子组成的。比如,日常生活中的光,就由大量光量子组成。

  我们要认识和了解量子,就必须知道量子物理状态,比如它是如何运动的,能量有多大等。那么,怎么知道量子物理状态呢?这就必须依靠测量。

  然而,量子很“调皮”,并不容易测量。这是因为,量子有着许多不同于宏观物理世界的奇妙现象和特性,比如量子叠加。

  中科院量子信息与量子科技创新研究院、中国科学技术大学上海研究院副研究员张文卓说:“量子叠加现象在我们生活的宏观世界里是存在不了也无法维持的。在宏观的经典世界里,1就是1,2就是2。而在微观的量子世界中,一个状态可以存在于1和2之间,它既不是1,也不是2,但它既是1,又是2。”

  “这就好比孙悟空的分身术。一个孙悟空可以同时出现在多个地方,孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。”中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟解释道,“在日常生活中,一个人不可能同时出现在两个地方。但在量子世界里,作为一个微观的客体,它能够同时出现在许多地方。”

  张文卓说:“在我们生活的宏观经典世界中,遵照的是经典力学规律。而在量子世界中,遵照的则是量子力学规律。在量子力学里,光子(量子的一种)可以朝着某个方向进行振动,叫做偏振。因为量子叠加,一个光子可以同时处在水平偏振和垂直偏振两个量子状态的叠加态。许多科学实验证明,因为量子叠加效应的存在,一测量就会破坏或改变量子的状态。因此,如果你拿一个仪器对量子进行测量,就会发现测量的结果完全随机。”

  既然量子如此难测量,那有没有啥独特的测量方式?

  “要测量基本粒子的性质,能用的东西最小也必须是基本粒子。打个比方吧,用刀切肉,刀需要比肉薄很多,才能切得更精准。但如果你想切的肉比你能找到的最薄的刀都薄,你就切不准了,还会把肉毁了。”张文卓解释道,“量子世界里的测量就是这么难,你想测的东西极其脆弱,一碰就变,你也不可能找到更精细的工具去测。所以,在测量中要涉及各种各样非常复杂的方法,比如各种激光、单光子探测器等。”

  量子密钥分发这种量子通信方式是利用量子的不可复制性以及测量的随机性来生成量子密码

  通过测量量子,就可以了解量子的物理状态,了解它的性质,从而更好地去应用它。比如,在量子通信中,对量子的测量就很关键。

  以量子通信中的量子密钥分发为例,这种量子通信方式是利用量子的不可复制性以及测量的随机性来生成量子密码,给传统的数字通信加密。

  张文卓说:“首先,它是以通信的形式在信息的收发双方建立一组二进制密钥,然后这组密钥就可以给二进制信息加密了,这就是‘量子密码’。量子密码是利用光子的偏振态作为载体来传输的。发送方随机地选择光子的四个偏振态和两种测量方式,一个接一个光子发送出去,接收方通过对一个个光子的偏振态随机地选择两种测量方式测量(通常用单光子探测器进行测量),得到一组测量结果。由于量子测量结果的随机性,需要用经典通信的方式进行相互比对各自的测量方式,选择出其中一致的,那么对应的测量结果就能当做密码信息了,这就是最终的量子密码。然后,再用量子密码给想传的传统数字信息加密,加密后的信息内容,就可以通过各种传统信道传播,无论是微波还是激光都可以。”

  量子密码之所以保密性强,也是因为量子测量的结果是完全随机的,从而导致了生成的密码也很随机。

  “传统通信的密钥都基于非常复杂的数学算法,只要是通过算法加密的,人们就可以通过计算进行破解。而在量子通信中,这种随机的密码,不按常理出牌,是无法通过传统计算来破解的,因此安全性就非常高。”张文卓说。

  量子密码能做到安全的极致,同样还是因为量子测量的存在,会让一个量子的状态无法被复制。

  “量子测量的随机性还决定了单个量子无法被精确复制,如果有人窃听,他就需要去复制量子的状态,但这样就相当于对量子做了测量,就会随机地改变量子的状态。收发双方一看状态变了,立即就知道有人窃听,就可以及时切换信道。因此量子密码只要成功地生成了,必定是收发双方独有的,没有任何人能够复制和窃听到,可以说是‘天不知地不知,只有你知我知’。”张文卓说。

(责任编辑:王蔚)

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