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关于量子通信和量子计算,可行与不可行的理由

已有 535 次阅读 2021-2-22 11:41 |系统分类:教学心得

关于量子通信和量子计算,可行与不可行的理由

利用量子可以通信
理由:通过起偏器的光量子,其偏振态是“定态”,可以由通信协议约定不同的“定态”有不同的含义;例如,以水平线偏振态为“0”,以垂直线偏振态为“1”;这样,爱丽丝发送一串“0-1序列”给鲍勃,鲍勃可以利用一个“十字”放置的偏振分光器(PBS),将代表“0-1”的光子,根据其偏振态分发到两个不同的光路,被两个不同的探测器接收,获得爱丽丝所发“0-1序列”蕴含的信息。
当然,⑵如果爱丽丝和鲍勃按照上述极其简单的协议来通信,从物理层面看,是完全没有保密性可言的。
理由:窃听者伊芙可以在爱丽丝发往鲍勃的量子通信光路上,采用与鲍勃一样的、“十字”放置的偏振分光器(PBS),将代表“0-1”的光子,根据其偏振态分发到两个不同的光路,被两个不同的探测器接收,获得爱丽丝所发“0-1序列”蕴含的信息;并且在每收到一个“0”时,向鲍勃转发一个水平偏振的光子;每收到一个“1”时,向鲍勃转发一个垂直偏振的光子;就可以实现对爱丽丝-鲍勃间光量子通信不被察觉的监听。

BB84协议很巧妙,但并非无懈可击
理由:为了避免被窃听者伊芙监听,BB84协议除了像上述约定那样——以水平线偏振态为“0”,以垂直线偏振态为“1”(以下简称“第一约定”);增加约定,45度偏振态也为“0”,135度偏振态也为“1”(以下简称“第二约定”)。如此两个约定下,
  当鲍勃用“十字”放置的偏振分光器(PBS)去检测爱丽丝按照第一约定所发的信息,能测得准所发的“0/1”, 但“测不准” 爱丽丝按照第二约定所发的“0/1”;
  当鲍勃用“X字”放置的偏振分光器(PBS)去检测爱丽丝按照第二约定所发的信息,能测得准所发的“0/1”,但“测不准”爱丽丝按照第一约定所发的“0/1”。
  爱丽丝所发光量子信息,鲍勃随机用“十字PBS”/或“X字PBS”检测器去检测,鲍勃都不总是能“测得准”, 如果限制伊芙只能采用和鲍勃一样的检测方法检测信号光子的偏振态,窃听者伊芙,也不总是能“测得准”,这样,当然有助于在物理层面防窃听。
  如此以来,虽然有助于在物理层面防窃听,但是,即使在没有窃听的情况下,鲍勃都存在“测不准”的情况,利用BB84协议是无法直接通信的。⑷因此,BB84协议,严格讲,不是量子通信协议,但它可用于“商定密钥”
理由:鲍勃在接收过程中随机选用的“十字”/或“X字”PBS序列,只有鲍勃清楚,当鲍勃通过普通信道向爱丽丝通报自己接收过程中选用的PBS序列后,爱丽丝将其和自己发送过程中采用的是第一协议/或第二协议序列加以对比,就可以确定,鲍勃接收到的0-1序列中,由哪些位次构成的子序列理应是100%正确的(如果从“理应正确”这个子序列中随机选取一个子序列,通过普通信道核对:“鲍勃,你第35次收到的是不是1”,等等,可以发现是否有拙劣的窃听者伊芙在窃听);如果没有发现拙劣的窃听者,那么,爱丽丝可以通过普通信道通知,以接收到之0/1序列中,2-3-7-9-17-18位次构成的子序列作为通过普通信道进行加密通信的密钥。
⑸利用BB84协议进行密钥协商,可以在物理层面提高通信安全性,但并非“绝对安全”
理由:从量子力学的“测不准原理”,并不能导出“未知量子态不可克隆原理”。
  常见的一个错误推理是这样的:“要克隆一个对象,必须先对待克隆对象进行测量;如果“测不准”,当然克隆不了”。其实,这个推理,违背了最基本的常识,大前提就是不符合事实的。例如,要克隆一把钥匙,并不需要测量各个节点尺寸,只要在胶泥上制模,再向模腔中浇铸即可;克隆羊多利具有许多和被克隆对象极其相似的特征,但这些特征,至今都没有被彻底测量过。
  激光器,是20世纪人类最重要的科技发明之一。激光器的英文名“LASER”,本来就是“光量子放大器”的缩写。怎么放大?任意一个特定频率的光量子,所具有的能量是确定的!放大光量子,不是将一个光量子的能量放大,而是利用“受激辐射”克隆出偏振态等量子态完全一致的光量子。激光器所发出的“激光”,区别于其它光源的最本质特征就是:激光束中的光子,是高度“简并态”的光子!
  因此,伊芙完全可以“先克隆,再测量”,并根据测量结果,发送一个和爱丽丝所发光子偏振态一致的光子,实现对爱丽丝-鲍勃间基于BB84协议的密钥协商内容不被察觉的窃听(详见:《
利用 “受激辐射”破解BB84协议的一种方案》)。
  因为,所有“量子保密通信”之“绝对安全”,从根本上讲,都依赖“量子不可克隆原理”,但这个“不可克隆”并不是物理事实。所以,不仅现在京沪量子通信工程所用的、基于BB84协议的量子保密通信不是“绝对安全”的,其它可以设想的量子保密通信,也都不可能是“绝对安全”的。
⑹量子模拟计算机计算速度可以远远超过目前通用数字计算机,快在“模拟”两个字,与“量子,抑或非量子”无关
理由:并没有利用量子效应的模拟计算机计算速度也可以大大超过目前通用数字计算机。例如,为一个平面形态很复杂的体育馆设计一个薄壳屋顶,最快的办法莫过于吹一个边界形态相似的肥皂泡,可以瞬间完成、速度远远超过现有通用超级计算机的速度——胜在“模拟”两个字,和“量子、抑或非量子”毫无关系。现代飞机外形设计,仍然要利用风洞实验获取数据,风洞实验系统,也可以说是一个专用的“模拟计算机系统”。其实,模拟计算机系统,就是实验系统,可以很快得到数据,是因为参与形成肥皂泡的每个分子同时、并行参与了“计算”。
⑺量子模拟计算机,可望加速获取某些特定问题数据。
理由
:量子力学中某些物理效应是宏观物理实验现象中所没有的,因此,利用量子物理实验系统可望提供实验数据,加速求解某类特定问题。例如,据报告,九章量子模拟计算机,能快速获得“高斯玻色取样”数据。
⑻量子通用计算机前景并不乐观
理由:量子通用计算机,准确点说,是“量子通用数字计算机”,必然要求——用“量子态”(也称“量子比特”)代表“数”。说到数,计算机里面,必须用到“常数”和“变数”,常数必定要用“量子定态”来表达;变数则可能用“量子叠加态”表达。
  无论如何变化,从从数学抽象观点说,量子通用数字计算机仍然和现有通用数字计算机一样是“有限状态自动机”。
  从有限状态自动机观点看——
  首先,必须有输入数据以确定要让计算机“算什么?”(明确计算任务),比如要将某个大数进行“质因数分解”,必须先将代表该大数的量子态赋予“有限状态自动机”,这个代表某大数的量子态只能是“量子定态”,绝不可能是“量子叠加态”,随后,该“有限状态自动机”所进行的处理,只能是针对已经“塌缩到定态,代表特定那个大数”的处理,所谓“通用量子计算机可以并行处理2的N次方个数,因此将大大超越现有通用数字计算机”的说法,是站不住脚的。
  其次,假设量子通用数字计算机已经算出了结果,表达该结果的量子态,只能是一个“未知的量子定态”,必须经“测量”才能被感知,但量子力学的“测不准原理”告诉我们,这个代表运算结果的未知量子态,是“测不准”的!显然,一台即使能产生正确运算结果,但结果却“测不准”的计算机,是没有使用价值的。
  为了最终输出结果是可以被“测准”的,代表运算结果的“未知的量子定态”的矢量方向必须是在和预设测量彼此正交两个“基底”之一相一致的方向上。如此,虽然表面看,一个“量子比特”可以对应“连续值”,但可用的量子通用数字计算机系统必定和现今通用数字计算机一样,是一个“二值系统”( 即,有使用价值的量子通用数字计算机系统,必定还是“布尔运算系统”)。
 




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