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谈谈量子通讯 精选

已有 18992 次阅读 2016-4-3 11:07 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦

 

 

从来没有牛顿,

扯什么爱因斯坦?

我就是牛顿,

我就是爱坦。

喝令量子单态传话,

我来了!

 

量子通讯其实很简单的,无外乎量子力学规律的简单应用而已。我从来没有做过量子通讯方面的工作,只是在十几年前读过几本书,却也不觉得理解它有什么困难。

很多人觉得这玩意儿很玄,也许只是因为他们纠缠于哲学问题。如果你一定要从哲学的高度搞清楚这个问题,确实有可能会碰到很大的困难。物理学只是描述现实世界,只回答“怎么样”这个问题,而不愿意或不能够回答“为什么”这个问题。费曼说“没有人懂量子力学”,其实就是这么个意思。当然,费曼只是个小人物,他说的话是算不了数的。那么,大人物爱因斯坦是怎么说的呢?“老天爷不玩骰子”?不,不是。“苍天仿佛诸葛亮,虽有鬼神莫测之机,却竭忠汉室、鞠躬尽瘁。天何言哉,天何言哉!”(Lord is subtle, but not malicious……)?不,也不是。爱因斯坦是这么说的:“这个世界最不可理解的,就是它竟然是可以理解的。”

 

量子不可克隆原理保证了量子通讯的绝对保密性,但是在工程实现上,还是有很多技术性的问题。我们简单谈谈这些问题及其解决方案。我说的都是十几年前的东西,但是现在也不会有什么太大的变化,其实在BB84的时代,大家就都懂的。再次强调,原理是简单的,困难在于技术实现。

大致分为几个部分。单光子源;单光子状态的设置;单光子探测器;单光子状态的检测;单光子的传输;中继问题。当然也免不了要谈谈效率问题。

 

单光子源。单光子源是很容易做的,困难的是制作高效率的单光子源。

光是量子化的,任何光源发出的光,只要衰减足够的倍数,就可以视为单光子源。随便拿个激光器,就可以用作单光子源,但最容易理解的,还是脉冲激光器。在脉冲激光器里,每个脉冲的能量是一定的,每个脉冲包含的光子数目也就是大致不变的,比如说100万个。在激光器的外部光路上,用衰减片把光束衰减足够多的倍数,比如说1000万倍,那么,每个脉冲里平均只包含0.1个光子,也就是说,每10个脉冲里,大致有1个脉冲包含1个光子,其他9个脉冲没有光子。这就是个单光子源了,但并不是很好的,因为有时候1个脉冲里也会有2个光子,这种情况发生的几率大约是1个光子的1/10:这是个随机过程(更严格点说,是所谓的泊松过程)。如果你不满意,那么可以降低平均光子数,比如说降到每个脉冲平均0.01个光子,那么,100个脉冲里才有1个脉冲包含1个光子,而100个包含光子的脉冲里,只有1个包含2个光子。这种方法你尽可以用,只是效率太低了。

还可以用单个原子来作光源。发光无非就是这么一个过程:原子中的电子受到激发,跑到更高的能级上,在那里呆一会儿,再发出一个光子、同时自己跑回到原来的能级。一个电子每次只能发出一个光子,显然,只要把这些能够发光的原子分别隔离出来,每次只激发一个电子,就可以得到单光子源。所以,单光子源可以是单个原子。也可以利用固体中的单个发光中心:可以是天然的(比如说,金刚石中的NV色心),也可以人工制备的(比如说,半导体单量子点)。原则上什么方法都可以,差别就在于好用不好用(包括量子效率、器件寿命、操作难易程度,等等)。

 

单光子的量子态的制备。这就更简单了,具体方法跟经典光学是一样的。有了单光子源,制备单光子的量子态,就是个编码的过程而已。编码可以用偏振,也可以用相位,具体方法跟经典光学是一样的,就是偏振片、半波片、四分之波片、或者各种干涉仪什么的。编码过程带来的损耗,可以计入到单光子源的效率里面,也就是说,可以认为有个理想的编码系统,但是单光子源的效率下降了一些。还有一种特殊的编码方法,就是所谓的EPR纠缠,这种方法没有经典类比,虽然从量子力学的角度来看,也没有什么特别怪异的地方,但它确实容易招惹是非,所以我就不多说了。

 

单光子探测器。这是对光产生响应的探测器,不过它非常灵敏就是了:单独一个光子就可以让它产生响应。这样的探测器,现在的实验室里都能够找到。人的眼睛大概能响应10个左右的光子,有些奇材异能之士,甚至能够看到单个光子,至少有些青蛙是可以做到的(我记得有篇PRL文章用实验证明了,青蛙眼睛的感光细胞达到了单光子探测的水平,并用这种探测器证明了某个单光子源的单光子特性)。半导体雪崩二极管更是可以达到单光子探测的水平。与单光子光源类似,单光子探测器并不难,难的是响应的波长范围要合适,效率要高,而且噪音水平要低、非常低。

 

单光子量子态的检测。类似于单光子量子态的制备。单光子先通过适当的偏振片、半波片、四分之波片、或者干涉仪,然后再进入探测器,就可以检测了。当然,这些检测并不能超出量子不可克隆原理的限制。

 

还有个问题必须回答。你说你有单光子源和单光子探测器,可是,它们真的能够每次发射单光子、能够检测到单光子吗?我凭什么相信呢?当然要检验了。先假设你的探测器能够对单光子有响应,需要注意的是,我们并不要求这个探测器能够分辨是一个光子还是两个、三个光子——通常的单光子探测器其实是无法区分这些情况的。在单光子入射光路上,放置一个半透半反镜,也就是说,入射光一半反射、一半透射,在反射和透射光路上各放置一个单光子探测器。然后,看这两个探测器的“关联响应”。如果真的是每次只有一个光子的话,它要么透射、要么反射,也就是说,两个探测器不可能同时探测到信号。这样做很多次,如果每次都是只有一个探测器有响应(也可以是都没有响应),说明我们测量的对象就是单光子源了。这种方法还可以衡量单光子源的质量好坏,它在多大的程度上是个理想的单光子源。有了单光子源,你就可以检验你的探测器是不是达到了单光子的水平。当然,这其实是个相互检验、相互提高的过程,如果光源和探测器达不到你的要求,就去自己设计、加工、制作,当然,还有个更简单的方法:花钱买,有钱能使鬼推磨,买个把满足要求的单光子源、单光子探测器,那还不是小意思嘛。

 

有了单光子光源、探测器,能够制备和检测单个光子的量子态,就可以进行量子通信了。量子不可克隆原理保证了,这种通信是不可能被破译的。

走出实验室,进入真实世界,量子通信还会碰到另外一个问题:信息传输效率的问题。在光源和探测器之间,总是有一定距离的,单个光子需要通过某种媒介进行传播,这就会引入损耗。下面就谈谈损耗的问题。

大致有两种传播方式:自由空间传播和光纤传播。损耗也大致分为两类:对准带来的损耗和吸收带来的损耗。

自由空间传播就是把光源和探测器排成一条直线,因为光是沿着直线传播的。这时候的困难主要是,很难对得非常准,比如说,两地相距1000公里的话,发射和接收的望远镜的口径是1米,那么方向对准就要达到1个微弧度。还会有衍射的损耗(波长1微米,望远镜口径1米,衍射角度大约也是1个微弧度)。地球表面是弯曲的,更是限制了这种传播的长度,连100公里都很难做到——卫星不存在这个问题,但是卫星是高速运动的,对准就更困难了。这中间还会有空气吸收导致的损耗,但这不是主要矛盾。

光纤传播没有对准的困难。单光子在单模光纤的纤芯里传播,光纤想怎么扭就怎么扭,只要两头各在光源和探测器那里就可以了。顺便说一句,光子进出光纤总是要有些损耗的,但是这些都可以简单地看作是单光子光源的量子效率有些降低了。光纤传播的困难主要是吸收损耗,即使选择最纯净的物质,选择最合适的波段,光纤的吸收长度也到不了100公里。为了简单起见,我们可以认为,一个光子经过100公里光纤后,有一半的几率损失掉了(我们的讨论跟100公里这个数字没有直接关系,换成50公里也是一样的)。要想传播1000公里,就需要发送很多次单光子,这一头每发送$2^{10}$次,才会有1个单光子从那一头出来。效率太低了。

简而言之,在实验室里,量子通信是没问题的,相隔几十公里,也没有太大问题。问题在于,真实世界中的通信距离,往往是几千公里。怎么办呢?

关于卫星通讯,我们就不多说了,卫星之间的通信和卫星与地面的通信,都是自由空间传播,只要跑得近、对得准就可以了。近地卫星可以在一两百公里的高度飞行,两个卫星也总可以等到靠近了再通信,所以距离没有问题。困难在于高速运动的光源和探测器之间如何对准,这是个问题,但不是量子力学的问题,经典物理学就可以解决,最多再加点相对论的知识。所以,我们就不多说了。

 

利用单光子的方法,可以实现100公里以内的通信(如果我没有记错的话,200公里也已经实现了)。但是,地球上相距很远的两个地方,比如说1000公里,如何实现量子通讯呢?

其实也很简单。既然能够实现100公里的通信,那么一段一段地接起来,就好了。饭要一口一口地吃,路要一步一步地走,这通讯嘛,也可以100公里、100公里的做嘛。这就是个信号中继的问题。这又分为两大类,经典中继和量子中继。

最简单的就是经典中继了。把1000公里分成10段,用中继站连接起来。每两个中继站之间采用单光子通信,量子不可克隆原理确保了每段通讯是没有问题的。中继站里再把前面接到的信息传送到下面去,这里就有问题了:这种方法不能避免中继站获取上家的信息,而中继站并不一定是完全可信的。敌人只要占领了中继站,就可以进行所谓的中间人攻击,把上家的信息留下来,把自己的信息传出去。这个道理很简单的,中国人两千年前就做过了——随便哪个听过三国故事的人都知道:吕子明白衣渡江,关云长败走麦城。吕蒙干的第一件事情,就是拿下了关羽的烽火台。过五关斩六将、水淹七军威震华夏的关二哥,就这么不明不白地给干掉了。出师未捷身先死,常使英雄泪沾襟。

忘记过去就意味着背叛。殷鉴不远,其在夏后之世。作为炎黄子孙,我们一定要牢记忠义神武关圣帝壮缪公的惨烈教训,经典中继这件事情是万万不能干的了。怎么办?

这就要靠量子中继了。量子中继不是量子放大或复制,量子不可克隆原理禁止你复制量子态,更别提什么放大了。量子信号完全依赖于单个光子,不成功、就成仁,没有其他办法了。怎么办呢?量子中继并没有复制量子态,他实际上是做了某种测量,确认一下单光子有没有开小差,他承担着信息传送这个艰巨而又光荣的任务,真不能随便就撂挑子不干啊。但是,这种测量并不要求中继站知道单光子的量子态到底是什么,其实他也根本不可能知道,他仅仅是确定一下,这个单光子还在干革命、没有开小差,然后就让这个单光子接着往下一站跑。所以这种测量并不违反量子不可克隆原理。你可能会问了,就这么简单?光子本来跑不了1000公里,你每隔100公里看他一眼,他就精神焕发、一路小跑跑到底了?你不是忽悠我吧?我只能说,这个方法的可信程度是跟量子不可克隆原理一样的。测量意味着对系统的干扰,连续测量意味着量子系统更容易呆在原来的状态不动。西方有句老话,“盯着看的水壶烧不开”,东方也有句老话,“别人家的孩子长得快”,说得就是这个道理。至于说为什么是这么个道理,对不起,没有人知道为什么,费曼不知道,爱因斯坦也不知道。我们只知道,这个方法有个好听的名字,叫做“量子芝诺效应”,其实就是惠施、公孙龙等前辈们讨论的“飞矢不动”的量子版而已。我们还知道,有许多方式可以实现这种观测,比如说,高品质共振腔中的单原子,或者是EPR纠缠对的Bell测量。但是呢,这些方法要么涉及到薛定谔家那个要死不活的猫,要么涉及到波恩家那个优柔寡断的波函数,总是在哲学上扯来扯去地扯不清,我也就不扯他们了——人贵有自知之明。

简单地说,量子中继并没有复制单个量子态,他只是检测带有信息的单光子是否到达了中继站,如果到了,就让他接着跑,如果没有到,就通知上家重新发送一次。还是用些数字来说明吧。假定单光子经过100公里会有一半的几率损失掉了,而我们想把单光子传送到1000公里以外。我们可以用一根1000公里长的光纤,只要发送很多次就可以了,每发送$2^{10}$次,才会有1个单光子被接收到。原则上是可以进行单光子通信的,只是效率太低了。我们也可以把这1000公里分成20份,每50公里看他一眼(进行测量确认单光子是否存在),那么只需要几十次发射就可以让一个单光子接收到了。这只是通讯效率提高了几十倍,并没有本质上的差别,量子中继器也不知道传送的到底是什么信息。

 

差不多就这么些了。单光子源和探测器,单光子状态的制备和检测,单光子的传输和损耗,经典中继和量子中继,原则上,量子通信信道的保密性是确实无疑的了。

但是,在进行通信的时候,保密性并不是唯一因素,传送效率也非常重要。如果一天只能传送一个字,那么保密性再高也不一定有意义:你的保密信息还没有传到对面,可能就已经过时了——毛主席说,一万年太久,只争朝夕。量子通信的实际应用中最大困难在于如何尽可能高地提高传送效率。现在采用这种方法来传递公共密钥,只是因为现在的量子通信线路的效率只能达到这么高而已,做不到一次一密地传送所有信息。所以,高亮度的单光子源(单位时间内发射尽可能多的单光子),高效率的单光子探测器(背景噪音尽可能低),高保真度地制备和检测单量子态,高可靠性地实现量子中继,就非常重要了——可惜的是,这些显然都不可能在这里详细介绍了。

 

哲学家们只是用不同的方式解释世界,重要的是改造世界。

 

 

附录:

[1]量子通讯基础: DirkBouwmeester, Artur Ekert, Aton Zeilinger, (Eds.), The Physics of Quantum Information,Springer 2001

[2]民谣一首:天上没有玉皇,地上没有龙王。我就是玉皇,我就是龙王。喝令三山五岳开道,我来了。

 



量子卫星
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