姬扬的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/jiyang1971

博文

再谈量子通讯 精选

已有 10306 次阅读 2016-12-7 14:55 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦


人生不相见,动如参与商。

以前说过利用单光子进行量子通讯的道理,现在再来谈谈量子纠缠在保密通讯中的应用。

先打个预防针:我不打算讨论哲学问题。很多人为了量子纠缠而争吵,其实,在物理和技术上说,量子纠缠并不难理解,大家争吵的是它的哲学解释,而且纠缠个没有完。在我看来,关于量子隐形传态(quantum teleportation)、超光速信息传递等事宜的争吵,纠缠的都是哲学解释,而不是物理实现。


量子纠缠,描述的是两个粒子之间的量子关联。我们先给个经典关联的例子,也许有助于大家理解量子关联。

考虑两个经典的全同粒子AB,其物理性质完全一样,但是又可以分辨出来。起初,这两个家伙起初呆在北京天安门,保持静止;然后,他们推搡了一下,就分开了。由于动量守恒,它们分离后的运动速度大小相等、方向相反,这两个粒子就具有经典关联性:如果A往东跑,那么B就往西跑,你在王府井发现了A,马上就知道B正在西单;如果你在大前门看到了B,就知道A一定是往北跑、而且跑进了故宫。利用这种关联性,当然可以传递信息,甚至可以成像:只要你知道AB确实分手了,那么,了解了A的情况,你就能够知道B。细节就不说了,只要提醒一下,现在很时髦的量子鬼成像(Ghost imaging)乃至量子雷达,采用的就是这个道理——虽然他们用的是光子(及其偏振),说的是量子,但实际上起作用的,就是这种经典关联性而已。


经典关联很简单,但是,量子关联就要难得多。难度不仅仅在于技术实现,更在于我们不习惯量子世界。量子世界的奇特之处在于:单个和很多是大不一样的。安德森的More is different,马克思的量变导致质变,强调的都是这个道理。

光具有波粒二象性,其行为既类似于波,又类似于粒子。有几种办法可以产生“纠缠光子对”——同时产生的两个光子AB沿着不同的方向传播出去,在相距很远的地方进行测量,可以发现这两个光子的一些性质是密切相关的:不仅有时间上的相关性,还有(比如说)偏振状态的相关性。AB共同处于“单重态”(singlet)里,两者的总角动量为零。如果甲测量A得到垂直偏振,那么乙测量B得到的就是水平偏振;如果A45度偏振,B就是135度偏振;也可以选用圆偏振测量,结果类似;等等。如果甲和乙选择的偏振方向相差角度为$\theta$,那么他们同时测量到AB的几率就是$\sin ^2 \theta$。这些测量其实不依赖于甲乙的测量顺序,因为只有比较两者的测量结果,才能验证AB的量子关联。有时候会看到“甲的结果立刻影响乙的测量”这种说法,其实是量子力学的哲学解释问题——EPR佯谬和Bell不等式什么的,充满了哲学探讨,讲起来就让人心烦,我就不献丑了。我们需要知道的是,这个物理效应是经过实验验证的,无论谁来做,结果都是一样的,大家的分歧主要是在如何解释上面。


利用这种量子纠缠,可以进行保密通讯,前一段时间发射的量子卫星,就是打算这样通讯的。传送过程大致是这样进行的:丙(中间人)制造量子纠缠的光子AB,把它们分别发给甲和乙;甲和乙分别测量到达自己位置的光子,测量其到达时间和偏振状态。根据测量结果,甲和乙就可以传递信息了:根据到达时间,判断光子是否有可能是纠缠光子对;根据自己的偏振测量结果,推断对方的测量结果。后面这个步骤要求,甲乙两人的偏振测量装置选择的是同一组正交基(构型I可以区分垂直(0度)、水平(90度)偏振,而构型II可以区分45度、135度偏振),如果甲选择了构型I,而乙选择了构型II,他们的测量结果就对信息传送没有贡献——此时测量的结果完全没有关联。也就是因为这个原因,甲和乙需要一个公共通道来告诉对方,自己在某次测量时选择了哪种测量构型。需要注意的是,丙要制造很多对纠缠光子,每次一对,固定间隔时间;甲和乙同时测到光子,才有可能利用这对光子得到一比特的信息;如果丙没有成功地制造出纠缠光子对,或者甲乙至少一人没有测量到光子,当然就传递不了这个比特的信息了。

如果只是通讯,这就足够了,但是,还有讨厌的保密问题。丁这个坏蛋想偷听,怎么办?好办,具体解决办法类似于单光子通讯。首先,我们说,这个丁有可能是发送纠缠光子对的丙,即使如此也不影响下述检测方法。丁必须先截获某条通路上的光子(就算A好了),判断其偏振状态,然后再发射一个单光子给甲。如果丁只截获、不发射,那么甲就永远也收不到单光子,甲乙之间的通讯自然泡汤了,但是丁也不能知道甲的秘密(当然,乙也不知道),最终的效果是丁切断了通讯线路,但是并没有偷听到什么东西。如果丁决定发射光子,那么他如何选择光子的偏振状态呢?只能是瞎猜,因为他测量的时候必须二选一,要么用构型I、要么用构型II,但是他并不知道甲选择的构型到底是这两者中的哪一个。这与单光子通讯中面临的问题是一样的:你只有一次机会(因为只有一个光子),可是要进行两种测量,所以就只能瞎猜了。瞎猜的结果就是,甲和乙能够通过公开宣布自己的部分批次的测量构型和测量结果,发现有坏蛋在偷听!至于这个坏蛋是谁,是丙还是丁,或者是戊己庚辛,都没有关系,反正是有人偷听,这次通讯失败了,我们改到下次再来。


上面这种效应也可以反着来。来自两个不同地方的光子,如果满足一定的条件,当它们相会的时候,就可以表现得像一对纠缠光子对,在相会处进行测量,也能够得到两者在偏振态上的关联。可以看出,这种逆效应相当于纠缠光子对的逆时间之旅。利用这种效应,也能够进行量子通讯,上个月宣布的400公里光纤量子通讯,做的就是这件事。大致过程是这样的:甲和乙在约定好的时刻同时发射单光子给丙,丙位于二者的中间,他在那里进行适当的测量,确定自己得到的两个光子AB(分别来自于甲和乙)是不是纠缠光子对。如果是,丙就喊一声,甲和乙就知道他们俩成功地产生了一对纠缠光子,甲和乙宣布自己的发射构型(构型I意味着发射光子的偏振是090度,构型II意味着45135度),就可以传递信息,当然也可以验证是否有人偷听。采用特制的低损耗光纤,他们能够实现400公里的量子通讯。比单光子量子通讯的距离(大约300公里吧)更远,因为有个丙位于甲乙中间,他到两者的距离只有200公里。现在的传递速率还比较慢,大约是每小时1个比特,以后还要进一步提高单光子源的质量。现在的发射频率大约是75MHz,单光子水平大约是0.1,如果能达到(比如说)1GHz的纯粹单光子源,那么传递速度还有提升几万倍,大概就不用让人等得那么心烦了。


好了,利用量子纠缠效应进行的量子保密通讯,就介绍到这里了。只要限制在物理和技术方面,不探讨其哲学解释,这个问题其实还是很好理解的。当然,如果添加一些精美的图片和详细的表格,在附上严谨的公式和细腻的推导,肯定能讲得更加清楚。但是,我写博文,就是为了娱乐,谁耐烦画图做表、推导公式?再说,即使有了无比保密的通道,难道就能说上话吗?

但愿君心似我心,定不负相思意。



Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution Over a 404 km Optical Fiber

Hua-Lei Yin et al., Phys. Rev. Lett. 117, 190501 (2016)




https://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1019284.html

上一篇:力学教学笔记之量纲分析
下一篇:郑重宣布,我已经成为特权阶级
收藏 IP: 124.193.162.*| 热度|

33 李颖业 冯大诚 武夷山 张云 曾杰 杨顺楷 马德义 王大岗 左小超 吉宗祥 刘钢 文克玲 李竞 李维纲 刘安金 蒋德明 史晓雷 吕喆 鲍海飞 徐令予 强涛 彭真明 王春艳 李轻舟 刘全慧 侯沉 岳东晓 yangyunfei1991 xlsd zjzhaokeqin aliala wangshoujiang3 yunwowo

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (53 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2023-1-31 05:03

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部