大话量子通信(赠书福利又来啦~)

鲜枣课堂 2020-07-31 00:00

问:“听说你是搞量子通信的,我知道什么是通信,但什么是量子呢?

答:“量子是物理量的最小单元,多数情况下由基本粒子携带。”


追问:“量子通信就是说拿量子来通信吗?”

答:“不完全是,严格地说是利用量子力学的一些原理来通信。”


再追问:“什么是量子力学呀?遇事不决那个吗?”

答:“这个就说来话长了……”


每一位量子通信的从业者,面对亲朋好友的提问时,都难免要解释一遍什么是量子力学。


的确,作为物理学专业最重要的一门课(可去掉之一),量子力学几乎主宰了整个现代物理学,也颠覆了人类的世界观。如同宇宙拨开了经典力学的外衣,看到了量子力学这个神秘的本来面目。



量子力学离普通人是那么遥远,鲜有人会主动去学习这门物理学专业的课程(不自量力=不要自学量子力学)。


量子力学又是离普通人那么近,当今世界一切电子产品都源自于量子力学催生出来的信息技术。


所以,与其上来就科普量子通信,不如先讲清楚量子力学的来龙去脉。如果再弄得你一头雾水,至少你会知道雾水是从哪里来的。


量子力学深刻地颠覆了物理学家的世界观,这可以从两个方面来阐述:


第一个方面就是存在量子叠加态,这是在人类日常的世界观中无法想象的状态。人类世界观的形成离不开自己的感官,那么感官看到的物体状态,丁是丁卯是卯,说一不二。经典力学为什么容易理解?就是因为它掌控着宏观世界,完全符合人类的感官常识,让人类看得见摸得着。


但量子力学掌控的是微观世界。当我们看到一个基本粒子的时候,它就不是一个小颗粒了,而是一个量子化的波,它其实无处不在,即同时存在各个地方, 这称为波函数。这就是量子叠加态的一种表现,即波函数是坐标空间本征态的 一种叠加。


所以,当我说“一个基本粒子的大小是一个无限小的点,但是它同时存在于整个空间”时,听起来是多么不可思议。但是,量子力学却告诉我们这是基本粒子真正的性质。


在量子力学中,位置的叠加已经很不可思议了,而其他如动量的叠加、能量的叠加,更比比皆是。而“量子纠缠”就是量子叠加的一种,是两个或两个以上粒子组成的一种量子叠加态。当你明白了量子叠加态的存在,就不会对量子纠缠这种“遥远地点之间的诡异互动”感到不可思议了。


物理学家依靠量子力学原理,在20世纪50年代到70年代间陆续发明了半导体晶体管、激光器、集成电路、磁盘、光纤等技术。以此为基础,20世纪80年代以来陆续诞生了个人电脑、手机、互联网等伟大发明,将人类文明彻底带入了信息时代。


量子力学催生了当今世界信息技术的方方面面,彻底改变了人类的生活。


如今以量子通信和量子计算机为代表,出现了新一代的量子信息技术,它作为现代信息技术的继承者,将更深入地应用量子力学原理引领信息技术的发展,也将再一次改变我们的生活。



量子通信作为量子信息技术的排头兵,让我们提前触摸到了第二次信息革命的脉搏。什么是量子通信?量子通信分为哪几个方向?量子通信产业化做到了什么程度?“墨子号”量子科学实验卫星做了哪些人类首次的太空量子通信实验?我将一一道来。


量子通信不应该简单地从字面意思理解为通过量子来通信,它的真实含义更广泛,是利用量子力学原理对量子态进行操控,在两个地点之间进行信息交互,可以完成经典通信所不能完成的任务。


量子通信按照应用场景和所传输的比特类型可分为“量子密钥分发”和“量子隐形传态”两个方向。


其中,“量子密钥分发”可以通过对量子态的传输和测量,为经典比特传输(我们最常用的数字通信)建立牢不可破的量子密码,是为经典信息做加密服务的量子通信。目前,以量子密钥分发为基础的量子保密通信已经步入产业化阶段,开始保护我们的信息安全。


而“量子隐形传态”,利用量子纠缠来传输量子比特,是服务量子计算机终端的量子通信,将应用于未来量子计算之间的量子互联网。



“墨子号”量子科学实验卫星完成了多个人类首次的太空量子通信实验,包括星地量子纠缠分发、星地高速量子密钥分发、地星量子隐形传态、引力诱导量子纠缠退相干实验检验等,距离都超过了一千公里。



量子通信不实用吗?量子通信很脆弱吗?只有中国搞量子通信吗?量子通信会取代现有的通信吗?关于这些疑问和争论,下面这本书有详细的解答——


看向这里


大话量子通信


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