;

量子加密的前世今生(一):漫谈量子世界

2019-08-08 09:20:38 admin 29

前言:闪捷信息作为业界首个推出量子加密技术应用的数据安全供应商,致力于量子技术在数据安全领域的实践应用。基于多年技术积累,闪捷信息现推出系列专题,从量子的概念和起源讲起,揭秘量子加密技术的前世今生。


   “量子”从一个科学概念,近年来逐渐走进了大众的视野,量子技术的发展和应用,受到了广泛的关注。

1565143192482615.jpg

(图片来源自网络)

   国际上,量子信息领域的角逐十分激烈:

  • 2018年美国加快推进“国家量子计划”法案立法进程,目标是建立一个全面的、协调一致的国家政策,更好地支持量子研究和量子技术的发展。

  • 欧盟加快实施量子技术旗舰计划,并发布了报告《Supporting Quantum Technologies beyond H2020》,提出“要统一部署建立服务于量子技术的基础设施,包括量子通信地面网络和量子卫星”,目标是建设覆盖全球的量子互联网。

  • 意大利、英国、韩国、俄罗斯等国家迅速启动了量子通信工程,一些干线网络也已经初步建成。

   而中国在量子技术部分领域的应用也走在了世界的前列:

  • 2016年8月16日,全球首颗量子通信实验卫星“墨子号”发射升空。

  • 2019年1月31日,中国科学技术大学潘建伟教授领衔的“墨子号”量子科学实验卫星科研团队被授予2018年度克利夫兰奖(Newcomb Cleveland Prize),这是该奖设立90余年来,中国科学家在本土完成的科研成果首次获得这一重要荣誉。

  • 2017年9月29日,中国科学院举行新闻发布会,宣布世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通,进入商用阶段。

   但究竟什么是量子?这个让人迷惑的科学理论离我们是不是仍然很遥远?


 量子≠实体粒子 

1565144456787561.jpg

(图片来源自网络)

   听到量子,是否会第一时间想到质子、中子、电子?但量子并不是指某个实体粒子,它是一个物理量最小的不可分割的基本单位,是一个数学概念。按物理运动规律的不同,将遵从经典运动规律(牛顿力学,电磁场理论)的物质所构成的世界称为“经典世界”,而将遵从量子力学规律的物质所构成的世界称为“量子世界”。“量子”就是遵循量子规律世界的总称,它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子,也可以是符合玻色-爱因斯坦凝聚、超导体等宏观尺度下的量子系统。


量子化概念 

   普朗克于1900年首次提出了量子概念,假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍,从而很好地解释了黑体辐射的实验现象。量子理论由此诞生。

1565144482727917.jpg

(图片来源自网络)

   量子是离散变化的最小单元。就如上楼梯,我们是一级、两级……往上走,不存在“半级”这种中间状态。又如老师点名,可以数出班里来了多少位同学,但不会有“半个同学”这种情况。这就是量子化的概念。


量子具有不确定性 

   在微观尺度下,量子效应表现出不同于经典物理的特殊现象。中学物理学到的波粒二象性:光子既是一种粒子,又是一种波,会产生衍射效应,通过双缝衍射实验能够证实。单光子通过缝隙会出现在哪里,是概率性的、不确定的。这区别与经典物理世界:状态是确定的、可预测的。

1565144515657652.jpg

(图片来源自网络)

   不确定性原理告诉我们:不可能同时知道一个粒子的位置和速度。首先,测量行为将会不可避免地扰乱被测量的事物,从而改变它的状态;其次,因为量子世界不是具体的,是基于概率的,精确确定一个粒子状态存在根本的限制。

   当我们测量一个量子对象时,会发生什么呢?波粒二象性表现在空间分布和动量都是以一定概率存在的,这被称为波函数。当我们用物理方式对其进行测量时,物质随机呈现一个单一结果,这就是“波函数坍缩”。好比一个姑娘是冷漠、热情的叠加态,当你展开追求的时候,她却表现出单一状态:冷漠拒绝,或者热情回应。


量子纠缠

   爱因斯坦不喜欢这个不确定的量子,为了反驳这个理论,他从量子原理推导出了一个“不可能的结论”——量子纠缠,一旦两个粒子存在纠缠,它们之间自旋态相干,与粒子之间的距离无关,与空间环境无关,任何电磁屏蔽、引力屏蔽等都无法斩断这种内禀关联,这被认为是不可能的事情。

1565144560517355.jpg

(图片来源自网络)

   但后来却从实验证实了:这是量子的一种特性,确实存在。就如一位母亲,女儿在美国生了孩子,她自动升级为外婆——无论相隔多远,无论她有没有得到消息。

   量子的各种特性使其看起来奇异,但并不是那么神秘,也并不遥远,我们身边就有很多量子力学的技术应用,推动了科学的进步和社会的发展。

   而量子科学的现实应用有哪些?

   请看下期《量子加密的前世今生》。


闪捷信息

杭州市余杭区文一西路998号未来科技城·海创园5幢608室

400-811-8806