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量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

汽車玩家 ? 來源:數學職業家 ? 作者:數學職業家 ? 2020-04-21 09:25 ? 次閱讀

什么是信息

信息的一個比較被認可的定義是1948年數學家香農在論文中提出的:信息是用來消除隨機不定性的東西。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

比如,盒子里有一個硬幣,它可以是正面向上,也可以是反面向上,在打開前我們是不確定的。

然后我們打開盒子,我們眼睛看到的盒子硬幣反射出來的光就是一個信息,因為它可以讓我們消除正反面的不確定性,讓我們得到一個確定的結果。

通訊最重要的要素就是信息,所以如果這個過程中沒有涉及到信息的傳遞,那么就不能稱為通訊。

而我們知道,信息傳遞的介質,光,聲音,引力波等等都是以小于等于光速的速度傳播的,這就是為什么說信息傳遞的速度要低于光速了。

什么是量子糾纏?

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

假如說一個盒子里有兩個硬幣,而這兩個硬幣的狀態是隨機的,那么在打開盒子前,盒子里面就有如圖的四種可能。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

一個電子類似于硬幣,也是有兩種狀態,上旋和下旋。

一個盒子里有兩個電子,這兩個電子的狀態也是隨機的,那么在打開盒子觀察前,盒子里的電子也是有如圖的四種可能。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

但是電子特殊的一點是,當兩個電子靠的足夠接近的時候,它們兩個就可能發生一種變化,它們會釋放出一個光子,同時兩個電子進入了一個糾纏狀態。此時兩個電子就不是有四種可能,而是變成如圖的只有這兩種可能了,就是說兩個電子的狀態一定是相反的。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

當我們把兩個電子分開,放到兩個很遠很遠的地方,這兩個電子的這種關系依舊會存在,當我們測量其中的一個電子,發現它比如是上旋的時候,那么我們立刻知道,遙遠另一個地方的那個電子一定是下旋的。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

這里要注意一點,宏觀世界里,在觀察前盒子里的硬幣是已經有了一個客觀存在的狀態的(比如是正面),可是對于微觀的電子來講,在測量前它是沒有一個客觀存在的狀態的,它是處于上旋和下旋的疊加狀態中,測量的過程才賦予了它一個確定的狀態。

一旦進行測量之后,兩個電子的糾纏態就會被打破了,變成了完全獨立的兩個電子了。

這就是量子糾纏,不僅是電子,光子,中子等等其他的粒子也同樣可以有量子糾纏的現象。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

量子糾纏并不能用作超光速信息傳遞,是因為,無論我們對A電子作何種操作,B電子附近的人都是無法知道的,他們不知道我們是否對A進行了測量,也無法知道我們對A進行的任何其他操作。無論我們對A做了什么,B處的人對B測量的時候都是有一半概率是上旋,一半概率是下旋。這個過程中沒有任何信息可以通過兩個電子之間進行傳遞。

那什么是量子通訊?

量子通訊,更嚴格的講應該叫做量子加密通訊,這樣稱呼的話就沒有那么多的歧義了。

在通訊的時候,我們為了讓信息保密,不被別人知道,常常會對信息進行加密。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

有一個密鑰,是只有A和B知道的,利用這個密鑰,A把信息進行處理加密變成一段密文,這樣就算其他人截取了密文也不能知道A想傳遞的信息是什么。而B收到信息之后,利用手上的密鑰把密文解密,就又得到了明文,知道A想傳遞的信息是什么。

可是經典的加密通訊,非常可能被破解,敵人可能通過破解或其他途徑得知你們密鑰,這樣就可以隨意竊聽你們想傳遞的信息。

而量子加密通訊,理論上可以做到讓敵人永遠無法破解你們的通訊。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

量子加密通訊有兩條傳輸通道,一條傳遞糾纏粒子對(通常是糾纏光子),一條利用電磁波傳輸經典的信息。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

第一步,A和B首先對依次收到到糾纏光子對進行處理,通過一組隨機生成的偏振片。看是否能通過得到一組數據。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

第二步,A和B互相把自己所用的偏振片組通過經典信息途徑傳遞傳遞給對方,這樣偏振片不相同的那些數據就被舍棄,A和B就得到了一組完全相同的,只有他們自己知道的密鑰。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

第三步,B將所得到密鑰的一部分發給A,A檢測如果和自己的密鑰相符,那么就證明這個過程中沒有其他人在監聽,兩邊的數據是有效的。(這一步后面會解釋。)

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

第四步,A將想傳遞的信息通過密鑰加密成密文,通過經典途徑傳遞給B,B用密文解密得到明文。

以上就是量子加密通訊的過程。

這里要說明一下。

在經典的通訊中,我是可以截取本來應該發給B 的信息,然后偽造完全相同的信息再發給B,這樣A和B就無法發覺有人在監聽。

而在量子通訊中,因為粒子的量子狀態是無法復制的,一旦有人攔截了本應該發給B 的糾纏光子,他是無法復制出完全相同的一列光子發給B的,那么第三步中,A就會發現B發給自己數據和自己手上的數據不相同,立刻可以發現有人在監聽。

所以說,從理論上,量子加密通訊是無法被破解的,可以做到絕對的安全。

還有一種更魔幻的量子糾纏應用,就是量子隱形傳輸。

量子隱形傳輸就是科幻電視電影里所說的傳送裝置。

假如我們用量子隱形傳輸來傳輸人(理論上可行,但是實際操作起來我覺得永遠都不可能做到)。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

過程就是,A處和B處有大量互相糾纏的粒子,A處的人和糾纏粒子相互作用并被摧毀(根據量子學定律這是必然的)。一系列數據通過經典途徑以光速傳到B,然后遙遠的B處利用這些糾纏粒子和從A傳過來的數據生成了一個和A處完全相同的人,這個人擁有原來那個人所有的記憶和意識,他只覺得自己突然間從A 傳到了B。

怎么理解量子隱形傳輸呢?

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

量子隱形傳輸,是一種容許我們把A處粒子的量子態傳輸給B處的一個粒子的技術。是一個很復雜很難理解的過程。這里就不詳細描述。

我們這里只介紹一種更加容易理解的情況。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

那就是把一個已知狀態的粒子(比如上旋的電子),把它的狀態傳遞給遙遠地方的另一個電子。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

第一步

我們需要在A和B有一對糾纏的電子,我們把A處的糾纏電子同需要傳輸的電子放到一起。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

第二步

對這兩個挨著的電子進行測量,但是不是直接測量它們各自狀態,而是去測量比如它們兩個的狀態是相同還是不同。

量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

第三步

如果A處兩個粒子的狀態是相同的,我們發出信息讓B處的人用磁場將糾纏粒子旋轉,于是B處的的糾纏粒子就變成了上旋。

如果A處兩個粒子的狀態是相反的,那么我們發出信息告訴B處的人不用做任何操作,B處的糾纏粒子本身就是上旋的。

同樣,對于一個不知道量子態的電子,也是可以做到無損的把它的量子態傳輸給B處的某個電子的,只是過程要復雜的多。

而這一過程為什么叫做隱形傳輸,是因為這個過程需要傳輸的信息(比如要B處進行旋轉操作,或者不操作)對于B以外的人是完全沒有任何意義的,你不可能從中得到任何信息,只有擁有另一個糾纏粒子的B才能讓這條信息變得有意義。

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