钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科学实验卫星简介

1927年海森堡提出了不确定关系 △x△p＞h/2π △t△E＞h/2π 同一年玻尔提出了量子理论的互补原理， 並与玻恩、海森堡等，对量子力学作出了统 计性的铨释的物理学家，形成了一个著名学 派，人称哥本哈根学派。 1928年到1930年间，狄拉克 提出了量子 力学的一般形式，並创建相对论性量子力学 ， 又提出反粒子假设。1932年为安德森发 现正电子而证实反粒子的存在。
什么是量子通信？ 它的主要特征是什么？ 运用的主耍物理原理是什么？
（一）传统加密通信
1，基本方法 对称密码制、非对称密码制、一次一密制
收发用同一密码 公钥与私钥 一次一个密钥
例：101000＋110000＝011000（二进制）
明文：2 * 日 *来 *金 *华 密文：2 8 日密来送金 阿华 密钥：偶数字符无效 注意：实际密钥所用数学方法极其复杂！
远程量子通信，用一次一密（钥）方案证实是安全的
这一加密方案是由Frank Miller在1882年提出，并在1917完善，是一种简易 的对称加密（收发双方用同一密钥）方案。例如明文为101000，加密钥 110000形成011000密文（以2为模，只取6位为例）发送，接收者收到密文后 再减密钥，还原得明文。双方都用一个密钥。但是每送一明文都要随机产生 与明文同长的密钥，只用一次，下一段明文用另一个密钥。故称一次一密 （One – Time – Pad )。 这个方案虽然简单可靠，但是密钥可信的交接却是大问题：密钥要预先商定， 制备在物件上可机械地传送，为着不泄漏，后勤管理就很昂贵。量子通信就 是为了解决该方案中的密钥传送。
泡利是海森伯的大学同学兼挚友，泡利是“泡利不相容原理”和微观粒子自旋 理论泡利矩阵的创始人。两人同在索末菲门下学习时，经常不按老师的要求循 序渐进，而是自搞一套，老师竟也完全同意并鼓励他们这样做。 沃尔夫冈.泡利1900－1958)，父亲是维也纳大学的物理化学教授，教父是奥 地利的物理学家兼哲学家。泡利对相对论及量子力学都有杰出贡献。1924年发 现“泡利不相容原理”，1930年提出了中微子假设。1945年因“泡利不相容 原理”获得诺贝尔物理学奖。
几种量子信道的比较
1，地面： 优点：空间自由，灵活方便 缺点：背景光干扰（特别城市），传播介质不稳定如雾等，地球是圆的直线距离 有限 2，光缆： 优点：光缆中的信号受环境影响少，虽然不是可移动的通信但也还灵活，商品化 缺点：光缆衰减大概只能到达100公里附近 3，卫星；由微波通信和电视所取得的经验，很自然想到选择卫星。利用卫星也将 验证量子纠缠带到太空，超过目前实验最大的距离。（地面上已验证的距离约一 百多公里，而卫星通过地面站可扩展到十倍远）
这是1927年第五届索尔维会议参加者摄于国际索尔维物理研究所 的合影。几乎可以肯定，世界上没有几张照片，能像这张一样，在 一幅画面内集中了如此之多的、水平如此之高的人类精英。
照片的前排坐着 的都是当时老一辈的 科学巨匠。左起第五 位是谁都认识的爱因 斯坦。 爱因斯坦是20世纪最 伟大的科学家。 被公认为是人类历史上最具有创造性才智的人物之一。 他的名字与相对论密不可分。其实，相对论包括两种理论： 其一是他1905年提出的狭义相对论；其二是他1915年提出的广义 相对论，或者称之为爱因斯坦引力论。
二排左起第五位，是英国杰出的理论物理学家保罗.狄拉克 (pauladrienmauricedirac，1902～1984)。他提出了量子力学的 一般形式以及表象理论，率先预言了反物质的存在，创立了量子电 动力学。 1930年，英国物理学家保罗.狄拉克用数学方法描述电子运动规 律时，发现电子的电荷可以是负电荷、也可以是正电荷。狄拉克猜 想，在自然界中可能存在一种“反常的”带正电荷的电子。
量子密钥通信示意
1984年Bennet 和 Brassard 提出了一种量子密钥分发方案称BB84协议。经典信道用来传送密文， 双向工作可相互检验，量子通道用来传送密钥，是单向的由发送方，送给接收者。密钥用单光 子形成（现在制成纠缠的光子对），光子极化（偏振）成两类；一类是正交型（上下为“1”， 左右为“0”）一类是斜交型（45度为“1”，135度为“0”）两类光子中两个状态是编码的， 另两个状态是随机的。用这样制成的密钥，Alice 一方面加密明文通过经典信道送给Bob,同时 又把密钥经量子信道送给Bob。Bob接收到密钥，并不把收到的结果回送给Alice验证，而是告诉 Alice他接收密钥时检察极化的设置情况，Alice肯定Bob的设置正确后，密钥传送成功。 如果有人窃听，根据量子力学原理，量子状态破坏，密钥也被破坏，发送者接收者立刻发现有 人窃听。通信绝对可靠保密。但问题是一有窃听所需实现的通信也不能完成。再发，如果窃听 者持续捣乱，不是通信就中断了吗？！上述只是简要原理，实际上因为密码有部分是随机生成， Bob和Alice之间密码正确的验证要用概率计算来判断，噪声，干扰都会影响概率。在强干扰中 通信也会失效。
1905年爱因斯坦提出了光子理论，解释了光电 效应的实验现象。 1924年德布罗意提出了物质波的假设，认为一 切微观粒子具有波动性：λ＝h/p 1925年海森堡与波恩、约丹等人建立了量子力 学的矩阵形式，常称为矩阵力学。 1926年薛定谔建立了波函数所滿足的运动方程 ，这一理论称为波动力学，方程则称为薛定谔 方程。 1926年波恩对波函数作出统计解释：波函数平 方正比于发现粒子的概率。这一解释使波动力 学为大家所接受。
率玻 玻 解恩 尔 释， 左 。他 边 提是 出德 了国 量大 子物 力理 学学 的家 概
马克斯· 玻恩(1882～1970)，德国犹太裔理论物理学家，量子力学奠基人之一。 因对量子力学的基础性研究尤其是对波函数的统计学诠释，获得1954年的诺贝 尔物理学奖。1901年起在布雷斯劳、海德堡、苏黎世和格丁根等各所大学学习， 先是法律和伦理学，后是数学、物理和天文学。1907年获得博士学位。 1912年与西尔多· 冯· 卡门合作发表了《关于空间点阵的振动》的著名论文， 从此开始了他以后几十年创立点阵理论的事业。1921年成为哥廷根大学物理系 主任。1936年任爱丁堡大学教授，1937年当选为英国伦敦皇家学会会员。玻恩 还是《格丁根宣言》的签署人。
第三排右起第三人，就是量子力学的矩阵形式的创 立者海森伯，测不准原理也是他提出来的。海森伯， w.k.(wernerkarlheisenberg1901－1976)德国理论 物理学家。
海森伯和玻尔
玻尔和泡利在看陀螺旋转
第三排右起第四人是沃尔夫冈•泡 利，美国籍奥地利物理学家 (wolfgange.pauli，1900－ 1958）,他是和着20世纪一同来到 世界的。
量子密钥分发的几个协议
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（三）量子力学的创建
——第一次量子革命
1900年普朗克首次提出了能量量子化的假 设，E＝hν，成功导出了黑体輻射公式。
量子是什么？就是物理量离散化的最小单元，微观世 界中能量、动量、角动量等都是离散化的。 量子严格意义上不是指微观粒子，如光子、电子、原 子、质子、中子等等。而现在报章杂志上则是含混为这些 粒子的统称，如光就是一个个光子所组成的，简单说这也 可以。
1930年，英国物理学家保罗.狄拉克用数 学方法描述电子运动规律时，发现电子 的电荷可以是负电荷、也可以是正电荷。 狄拉克猜想，在自然界中可能存在一种 “反常的”带正电荷的电子。
海森伯是德国著名物理学家，量子 力学第一种有效形式(矩阵力学)的 创建者。他于20世纪20年代创立 的量子力学，可用于研究电子、质 子、中子以及原子和分子内部的其 它粒子的运动，从而引发了物理界 的巨大变化，开辟了20世纪物理时 代的新纪元。为此，1932年，他 获得诺贝尔物理奖， 成为继爱因斯坦和 波尔之后的世界级 的伟大科学家。
2，缺点
★长期用同一密钥（编码规则）极易破译；
★经常改变密钥，密钥如何传送，传送过程 极易被敌方截获，加大保密程度成本极高； ★非技术性泄密环节多，间谍性破坏洩密等。 最好一次一密钥，传送成难题， 远距离通信基本不可能！
（二）量子通信
量子通信是一种加密通信，主要特征是运用了量 子信息技术进行加密的一种新的加密通信。量子 密码比经典密码不易破译，大大加强了通信的安 全性。 它的信息传输还可以是原有的经典通道，信息传 输速度不会超过光速，密钥传输则通过量子通道。 所用量子力原理主要是： 1、量子态的叠加原理； 2、粒子的量子纠缠。
诺贝尔物理学奖奖牌
诺贝尔奖章
诺贝尔物理学奖颁奖
1934年，爱因斯坦提出能量聚集的新理论。
关于量子力学的几点说明
量子力学创立于上世纪30年代，经过许多科学家的努力 ，在理论与实验两方面打下了坚实基础。今天，量子力 学已发展成为一门结构严谨，应用广泛的物理理论。特 别是以量子力学为基础的固体理论，使固体电子学得到 长足的进歩。在际应用方面，半导体电子芯片等得到广 泛应用，正深刻影响和极大推动了社会生产力的发展。 量子力学的正确性是毫无问题的。 量子力学有一套清晰的数学方法，规范的运祘规则，运 用量子力学计算理论问题，实际应用明确而方便。没有 任何疑难。 在应用层面，没有任何问题的量子力学，在基本原理上 ，在理论的铨释上，长期以来确实存在激烈的争论。
前排左起第二位则是量子论的奠基者 普朗克(Max•Planck1858～1947)近代 伟大的德国物理学家，量子论的奠基 人。普朗克在解释黑体辐射问题时第 一次提出了“量子”的概念。
普朗克和爱因斯坦 马克斯•普朗克(1858.4.23.-1947.10.3.)，二十世纪最重要的物理学 家之一，因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献，并在 1918年获得诺贝尔物理学奖。量子力学的发展被认为是20世纪最 重要的科学发展，其重要性可以同爱因斯坦的相对论相媲美。
第二排右起第一人是与爱因斯坦齐名的“哥本哈根学派”领袖尼尔 斯· 玻尔。玻尔第一个提出量子化的氢原子模型，后来又提出过互 补原理和哲学上的对应原理，他与爱因斯坦的世纪大辩论更是为人 们津津乐道。 尼尔斯.玻尔(bohr,niels)1885年10月7日生于丹麦首都哥本哈根， 父亲是哥本哈根大学的生理学教授。从小受到良好的教育。1903年 进入哥本哈根大学学习物理，1909年获科学硕士学位，1911年获 博士学位.大学二年级时研究水的表面张力问题，自制实验器材， 通过实验取得了精确的数据，并在理论方面改进了物理学家瑞利的 理论，研究论文获得丹麦科学院的金奖章。
波恩左侧，是法国 “革命王子” 德 布罗意。他提出了物质波的概念，确 立了物质的波粒二象性，为量子力学 的建立扫清了道路。 路易· 维克多· 德布罗意(Louis Victor de Broglie，1892年8月15 日——1987年3月19日)法国著名理论物理学家,1929年诺贝尔物理 学奖获得者，波动力学的创始人，物质波理论的创立者，量子力学 的奠基人之一。
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以上这些人物，是二十世纪物理科学的最杰出代表，他 们在量子论和相对论两个方向上所做的贡献，不仅彻底改变 了人们的物质生活，而且改变了人类的思维方式和时空观念。 他们大多都获得过诺贝尔物理奖。在知识界可以这样说，不 懂得这些思想的人，基本上可以视为落后于这个时代。 而诺贝尔奖之所以被公认为科学界的最高荣誉，实际上 正是因为在二十世纪前期，年年都授予这些人，从而确立了 这项奖金的威信。
第二次量子革命
与量子通信浅说
——“墨子号”科学实验卫星简介
华东师范大学
钱振华
2016年8月16日1：40，我国发射了世界上首 颗量子科学实验卫星，命名为“墨子号”；
2016年12月，我国将建成量子通信京沪干线， 这也是世界上第一条长距离量子通信光纤试 验干线。
这两大工程，是量子通信跨入应用实验的一小步， 却可能是人类进入量子通信新时代的一大歩，很可 能是开创量子信息时代的标誌性工程。