量子通信的理解

2022-07-07  16

张想给女朋友发一条信息:爱。为了保密信息,他介绍了密钥:+1+2+3+4,意思是每个明文中的字母按字母顺序反过来都是错的一、二、三、四,结果就是:MQYI。得到女友MQYI的信息后,他反推-1-2-3-4,得到了爱情。这就是密码学中的对称加密算法。

总结:爱是明文,+1+2+3+4是密钥,MQYI是密文,对称加密算法是加密方法,这是基本的信息通信原理。

数学家香农通过计算得到了一个数学结果:如果密钥等于或大于明文的随机串,并且每次都改变密钥,那么即使黑客知道密文和加密算法,也无法逆向得到明文。因此,任何通信安全的本质都是密钥的安全分发。

如果通过经典通信传输密钥,则存在被窃听的风险。所以量子通信可以实现对方不用发送密钥就能得到密钥。

量子通信能超过光速吗?答案是科学理论目前还支撑不了,更别说做了。

量子通信一般包括量子密钥分发、量子隐形传态等。由于量子密钥分发是唯一接近实用的技术,所以现在量子通信一般指的是量子密钥分发。

量子密钥分发是一系列操作,使得通信双方可以拥有相同串的通信密钥,而无需分发密钥。

量子纠缠不用于量子密钥发现阶段,大多数量子密钥分发实验采用单量子方案,因为真正能产生随机数的是单量子叠加态的测量。

用线偏振法测量一个不可测量的光子时,50%可能是水平偏振的,50%可能是垂直偏振的。

同样,用圆极化法测量,50%可能是左撇子,50%可能是右撇子。

现在假设有一个光子,我们用线偏振法测量,假设得到水平偏振的结果。然后我们一直在测量这个光子的线偏振,所以这个光子测量的结果永远是水平偏振。但是这个时候如果用圆极化的方法去测量,就会有两种可能的结果,要么左旋,要么右旋。假设得到的是左手的结果,同样,如果我们用圆偏振法测量这个光子,它永远是左手的。

这时我们用线偏振法来测量,会有两种可能的测量结果,即水平偏振或垂直偏振。

如果我们用BB84协议操作,那么首先我们可以指定量子极化的信号:

左手:0,右手:1,水平极化:0,垂直极化:1。

现在我们模仿张三给女朋友的留言交流第一阶段:

张三随机用一种方法测一个光子,记录下测得的值发给女友,女友也随机用一种测量方法测光子,记录下值。在进入通信的第二阶段之前,该操作被重复几次:

张三合的女朋友通过网络公布了各自的测量方法,然后双方互相比较测量方法,保持测量方法相同的数值,舍弃测量方法不同的数值。因为度量方法一致,所以对应的值必须相同,这样双方就有了一串相同的字符串,可以作为密钥。

这些都是量子通信的基本原理。目前,中国立足于量子通信领域的全球领先地位。美国绝对不可能窃取我们国家的重要信息,这对美国来说比什么都糟糕,因为美国已经习惯了在科技发达的时候窃取其他国家的信息。美国也熟悉孙子兵法。不知己知彼,美国绝对不敢对中国发动战争。

当然,凡事都有例外。印度是世界上唯一一个不知己知彼还敢贸然出兵的国家。他们的勇气超过了量子纠缠。我国出于关爱智障者的人道主义精神,与它并不冲突。

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