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 科普文:一文看懂从量子纠缠到量子通讯!


作者:罗恩齐

什么是信息?

信息的一个比较被认可的定义是1948年数学家香农在论文中提出的:信息是用来消除随机不定性的东西。

比如,盒子里有一个硬币,它可以是正面向上,也可以是反面向上,在打开前我们是不确定的。

然后我们打开盒子,我们眼睛看到的盒子硬币反射出来的光就是一个信息,因为它可以让我们消除正反面的不确定性,让我们得到一个确定的结果。

通讯最重要的要素就是信息,所以如果这个过程中没有涉及到信息的传递,那么就不能称为通讯。

而我们知道,信息传递的介质,光,声音,引力波等等都是以小于等于光速的速度传播的,这就是为什么说信息传递的速度要低于光速了。

什么是量子纠缠?

假如说一个盒子里有两个硬币,而这两个硬币的状态是随机的,那么在打开盒子前,盒子里面就有如图的四种可能。

一个电子类似于硬币,也是有两种状态,上旋和下旋。

一个盒子里有两个电子,这两个电子的状态也是随机的,那么在打开盒子观察前,盒子里的电子也是有如图的四种可能。

但是电子特殊的一点是,当两个电子靠的足够接近的时候,它们两个就可能发生一种变化,它们会释放出一个光子,同时两个电子进入了一个纠缠状态。此时两个电子就不是有四种可能,而是变成如图的只有这两种可能了,就是说两个电子的状态一定是相反的。

当我们把两个电子分开,放到两个很远很远的地方,这两个电子的这种关系依旧会存在,当我们测量其中的一个电子,发现它比如是上旋的时候,那么我们立刻知道,遥远另一个地方的那个电子一定是下旋的。

这里要注意一点,宏观世界里,在观察前盒子里的硬币是已经有了一个客观存在的状态的(比如是正面),可是对于微观的电子来讲,在测量前它是没有一个客观存在的状态的,它是处于上旋和下旋的叠加状态中,测量的过程才赋予了它一个确定的状态。

一旦进行测量之后,两个电子的纠缠态就会被打破了,变成了完全独立的两个电子了。

这就是量子纠缠,不仅是电子,光子,中子等等其他的粒子也同样可以有量子纠缠的现象。

量子纠缠并不能用作超光速信息传递,是因为,无论我们对A电子作何种操作,B电子附近的人都是无法知道的,他们不知道我们是否对A进行了测量,也无法知道我们对A进行的任何其他操作。无论我们对A做了什么,B处的人对B测量的时候都是有一半概率是上旋,一半概率是下旋。这个过程中没有任何信息可以通过两个电子之间进行传递。

那什么是量子通讯?

量子通讯,更严格的讲应该叫做量子加密通讯,这样称呼的话就没有那么多的歧义了。

在通讯的时候,我们为了让信息保密,不被别人知道,常常会对信息进行加密。

有一个密钥,是只有A和B知道的,利用这个密钥,A把信息进行处理加密变成一段密文,这样就算其他人截取了密文也不能知道A想传递的信息是什么。而B收到信息之后,利用手上的密钥把密文解密,就又得到了明文,知道A想传递的信息是什么。

可是经典的加密通讯,非常可能被破解,敌人可能通过破解或其他途径得知你们密钥,这样就可以随意窃听你们想传递的信息。

而量子加密通讯,理论上可以做到让敌人永远无法破解你们的通讯。

量子加密通讯有两条传输通道,一条传递纠缠粒子对(通常是纠缠光子),一条利用电磁波传输经典的信息。

第一步,A和B首先对依次收到到纠缠光子对进行处理,通过一组随机生成的偏振片。看是否能通过得到一组数据。

第二步,A和B互相把自己所用的偏振片组通过经典信息途径传递传递给对方,这样偏振片不相同的那些数据就被舍弃,A和B就得到了一组完全相同的,只有他们自己知道的密钥。

第三步,B将所得到密钥的一部分发给A,A检测如果和自己的密钥相符,那么就证明这个过程中没有其他人在监听,两边的数据是有效的。(这一步后面会解释。)

第四步,A将想传递的信息通过密钥加密成密文,通过经典途径传递给B,B用密文解密得到明文。

以上就是量子加密通讯的过程。

这里要说明一下。

在经典的通讯中,我是可以截取本来应该发给B 的信息,然后伪造完全相同的信息再发给B,这样A和B就无法发觉有人在监听。

而在量子通讯中,因为粒子的量子状态是无法复制的,一旦有人拦截了本应该发给B 的纠缠光子,他是无法复制出完全相同的一列光子发给B的,那么第三步中,A就会发现B发给自己数据和自己手上的数据不相同,立刻可以发现有人在监听。

所以说,从理论上,量子加密通讯是无法被破解的,可以做到绝对的安全。

还有一种更魔幻的量子纠缠应用,就是量子隐形传输

量子隐形传输就是科幻电视电影里所说的传送装置。

假如我们用量子隐形传输来传输人(理论上可行,但是实际操作起来我觉得永远都不可能做到)。

过程就是,A处和B处有大量互相纠缠的粒子,A处的人和纠缠粒子相互作用并被摧毁(根据量子学定律这是必然的)。一系列数据通过经典途径以光速传到B,然后遥远的B处利用这些纠缠粒子和从A传过来的数据生成了一个和A处完全相同的人,这个人拥有原来那个人所有的记忆和意识,他只觉得自己突然间从A 传到了B。

怎么理解量子隐形传输呢?

量子隐形传输,是一种容许我们把A处粒子的量子态传输给B处的一个粒子的技术。是一个很复杂很难理解的过程。这里就不详细描述。

我们这里只介绍一种更加容易理解的情况。

那就是把一个已知状态的粒子(比如上旋的电子),把它的状态传递给遥远地方的另一个电子。

第一步

我们需要在A和B有一对纠缠的电子,我们把A处的纠缠电子同需要传输的电子放到一起。

第二步

对这两个挨着的电子进行测量,但是不是直接测量它们各自状态,而是去测量比如它们两个的状态是相同还是不同。

第三步

如果A处两个粒子的状态是相同的,我们发出信息让B处的人用磁场将纠缠粒子旋转,于是B处的的纠缠粒子就变成了上旋。

如果A处两个粒子的状态是相反的,那么我们发出信息告诉B处的人不用做任何操作,B处的纠缠粒子本身就是上旋的。

同样,对于一个不知道量子态的电子,也是可以做到无损的把它的量子态传输给B处的某个电子的,只是过程要复杂的多。

而这一过程为什么叫做隐形传输,是因为这个过程需要传输的信息(比如要B处进行旋转操作,或者不操作)对于B以外的人是完全没有任何意义的,你不可能从中得到任何信息,只有拥有另一个纠缠粒子的B才能让这条信息变得有意义。


该文章在 2018-4-13 10:24:12 编辑过

  离 线  2018-4-13 9:10:24 
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