【深圳发电机出租推荐阅读】量子通讯

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欢迎来到我的《科技史纲60讲》。

这一讲,向大家介绍一项可能改变人类未来信息传输方式的发明——量子通信,这也是中国数量不多的领先于世界的未来技术。

2019年1月31日,美国科学促进会(AAAS)宣布,将2018年度的克利夫兰奖授予中国科学技术大学潘建伟教授领导的“墨子号”量子通信科研团队,以表彰该团队通过实现千公里级星地双向量子通信实验,对这个领域的研究所做出的贡献。

我先介绍一下这个克利夫兰奖,这个奖可以被看成是美国科学促进会会刊,也就是著名的《科学》杂志的年度奖。

该协会是美国最大的科学协会,它每年会评选一个在过去的一年里刊登在《科学》杂志上最重大的研究成果,然后授予该奖。这个奖设立了90多年,中国科学家在本土完成的科研成果获奖还是第一次。

量子通信这些年在研究领域非常热门,其中很重要的一个原因在于大家对信息安全的担心。这一点符合我们前面几讲所说的标准:经济价值和市场巨大。

虽然信息安全的问题自古有之,但是过去这个问题并不太受到我们的重视。随着信息量的增加,通信的频繁,以及我们对信息依赖程度的增加,我们逐渐意识到问题的严重性。

特别是近年来,不法分子疯狂盗取个人信息,给大家带来了不少麻烦,于是人们对信息安全的需求就感到越来越重要,什么信息都希望加密。

今天,其实基于公开密钥的加密方式,基本上满足了大家保密的需求,但是它远非完美。因为当计算机速度足够快时,还是可以破译的。

从保密的时效性和破译的速度来看,今天的加密也只是有限时间内的保密,如果计算机的速度提高一百万倍(这件事不是做不到),我们今天觉得安全的加密,可能就变得不安全了。

因此,大家就在想,能不能有一个一劳永逸的方法,保证绝对的信息安全。这个问题如果换一种问法,就是:是否存在一种密码,从理论上讲是无法破译的呢?

其实信息论的发明人香农早就指出了,终极答案就是:一次性密码,这从理论上讲永远是安全的。

但这里面又产生了一个新的问题,那就是对信息进行加密的密码本身,如何送达给接收方?如果密码本身的传输出了问题,加密就无从谈起了。在过去,这个问题无法解决,因此人们也就不考虑这种通信的可能性了,直到量子通信的设想被提出。

量子通信的概念来自于量子力学中的量子纠缠,也就是一对纠缠的粒子,其中一个状态改变时,另一个状态也会改变。因此利用这种特性可以进行信息的传播。

量子纠缠这件事本身虽然在实验中被证实了,但是离应用其实还相差很远。而今天所说的量子通信实际上是另一回事,它只是为了便于大家理解,借用了量子纠缠这个概念。

今天所说的量子通信,实际上是一种特殊的激光通信。在这种通信中,首先是要利用光子的一些量子特性(光子就是组成光的粒子),具体讲是偏振的特性,来传递一次性加密的密码。那么这件事是怎样完成的呢?我们先从光的偏振这件事说起。

我们知道光其实是一种电磁波,一束光实际上就是一个和传播方向垂直的波,比如光是从东向西前进,光波在前进时,会做上下振动,或者左右振动,总之振动的方向和前进的方向垂直。

如果你用一块有很小缝隙的板拦住这束光,一旦这个缝隙正好和光波振动的方向一致,那么它就通过了,如果缝隙和光波振动的方向垂直,那么它就给拦住了,这就是光的偏振特性。

你可以从这张图看出,纵向振动的光穿过了光栅,横着的就给挡住了。你可以把这个光栅想象成一面栅栏。

爱摄影的人有这样的经验,如果你在镜头前面安了一个偏振镜的滤光片,转动它,就可以把一些镜头上的反光过滤掉,就是这个原理。

如果我们能够在发送端调整光的振动方向,让它要么水平、要么垂直,那么我们相应地在接收端通过一个水平的(或者垂直的)偏振滤光镜,就能检测到它们。水平的代表信息0,垂直的代表信息1。

下面这张图,左边蓝色的“十字”就是垂直和水平过滤的方向。

但是,如果我们把接收端的滤镜倾斜45度放,也就是像右图中红色的交叉十字那样45度角斜着,会发生什么呢?也就是说,光线的振动方向和最后的光栅(就是那个起过滤作用的栅栏)既不垂直,也不水平,怎么办呢?光还能过去吗?

事实是,光还是能通过的,只不过有的是按照45度,有的是按照135度通过的,检测出来的信号就很随机。此时,如果我们定义45度倾斜的光是1,135度倾斜的光是0,那么斜着的光栅就可以检测出这组信号了。

关键是,作为信号源,量子通信卫星每次发出的光子,都有0度和90度,或者45度和135度两组情况,而作为信号接收端,通过光栅,也就是你的滤镜如果摆放出和信号源一致的方向,就会接收到正确的信号,或者说接收方得到的信息正确率为100%。

如果摆放方向不一样,就会收到随机的信号,它有一半的情况会得到正确的信息,另一半则猜错了。这样平均算下来,如果接收端不知道发送端发送的光子是按照哪一种角度振动的,接收方只能接收到3/4的正确信号。也就是说接收端的错误率是1/4,也就是25%,这是怎么算的呢?50%x 50%=25%,第一个50%是选错接收光栅方向的概率,第二个50%是因为结果非0即1,所以是50%的错误率。

好,这是两方一发一收的正确率,如果接收方接收一次后再按照接收的信息原封不动地发送给第三方,也就是经过两次接收,那就只有3/4 x 3/4≈55%左右的信号和原先的一致了。转发的次数越多,和原先信息的一致性就越差。因此,要是有第三个人,窃听后再发出去,那么错误率就会提升。

利用这个特性,就可以分步骤完成密钥的分发,这个过程也被称为“量子密钥分发”(quantum key distribution,QKD)。它的原理可能有点难以理解,我用下面这个例子帮你完整地再解释一下。

我们假定张三要给李四寄一个密码本,李四收到后要根据约定拍一个快照送给张三。但是照相机的设定是只能保证3/4的内容和原来照片的一致,1/4的内容是错的。如果密码本安全寄到,张三对照一下发现大约有3/4的内容和自己发送的一致,就知道密码本没有问题了。

当然,由于错了1/4,而张三知道是怎么错的,因为他有原文件,因此他可以告诉李四哪些信息是对的,哪些错了,错了就丢弃掉,留下对的那串字符,这就形成了两个人约定的密码。双方使用这个密码进行一次通信,通信后密码就不再使用了。因此即便将来别人能够破译这个密码,也没有用。

如果张三在寄密码本的过程中间被王麻子截获了,这时王麻子得到的密码本只有3/4和原来是一致的。王麻子把截获的只有3/4正确内容的密码本又发给了李四,李四再照张相,这下子只有大约一半和原来一致了。当李四把他照的相发给张三确认时,张三发现怎么错了那么多,说明中间被截获了。于是他们就中断通信。

当然,张三给李四寄的不是信,而是带有偏振信息的光子。光子是一个不可再分的基本粒子,接收一次,原来的状态就消失了。因此,偷听者不可能把偷听到的内容复制一份发给接收者。这也是为什么必须将这种基于偏振光特性的通信方式建立在(光)量子基础上的原因。

上面这种想法,最初是由本内特(Charles Bennett)和波拉萨德(Gilles Brassard)在1984年提出的,因此也被称为“BB84协议”。“BB”是他们姓氏的首字母。这个协议并不复杂,但是通过光通信把它实现了,并不容易。

光子在空气中游走时,偏振方向很容易受到干扰,所以各国科学家都在努力打造通过卫星来运行的量子密码系统。从2001年开始,美国、欧盟、瑞士、日本和中国先后开始了量子通信的研究。通信的距离也从早期的10公里左右发展到今天的1000多公里。

不过,要想进行长距离高速度的通信,还有很长的路要走。此外,目前这种光通信完全没有考虑传输率,因此它离应用至少还有10年甚至更长的时间。

需要指出的是,即使采用了量子通信,也不能说完全解决了通信中的信息安全问题。

比如,如果通信卫星真的被“骇客”了,或者通信的光纤在半途被破坏了,虽然通信的双方知道有人在偷听,能够中断通信,不丢失保密信息。但是,它并不能保证正常的信息永远能送出去,就如同情报机关虽然抓不到对方的信使,却能把对方围堵在家里,不让消息发出。

但不管怎样,量子通信还是给加密通信带来了一种新的选择。

还要强调一点,今天所说的量子通信和量子计算在原理上完全不同,虽然很多人都通过量子纠缠这个名词,将它们混为一谈了。

要点总结:

1. 量子通信能够成功,原因在于量子足够小,它不能一分为二,一旦接收,状态就改变了,就不是原来的东西了。

2. 你是否看到不确定性在量子通信技术中的应用?量子通信的关键是将一次性的密码(密钥)发给对方,而且能确保它不被偷窃。

由于每看一次密码,它就会错一些。根据错的比例,发送信息的人就知道是否有人在偷听了。如果每次接收不是错掉1/4,发送方反而不知道接收方得到的是自己的信息,还是监听者复制的信息了。

通过最后这四讲,我希望大家能够掌握一个判定未来科技大势的思维方式。你需要记住最重要的两点:一是要以能量和信息为主线判断一项技术是否有生命力,二是要以市场前景判断它是否会吸引无数人为之努力,是否会有足够多的资源被投入到它的研究过程中。