2017高考物理 量子卫星墨子号

2017高考物理量子卫星墨子号

编者按：北京时间8月16日凌晨1点40分，我国发射世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”并取得圆满成功，关于量子卫星和量子通信，权威解读在此。

20世纪初，普朗克、爱因斯坦、玻尔开创了量子物理学研究。随后，海森堡、薛定谔、狄拉克等物理学家建立了量子力学。从此，量子物理学沿着两条路深刻地推动着人类文明发展。

一条路是“自上而下”的，即不断深入微观世界探索基本粒子。我们经常听到的“高能物理（即粒子物理）”、“大统一理论”、“大型强子对撞机”等等就是来自这个领域。

另一条路是“自下而上”的，就是认识身边的各种物质背后的量子力学规律，并在此基础上发展各种高新技术来改变世界。我们经常听到的“凝聚态物理”、“半导体”、“激光”、“超导体”、“纳米材料”等等就来自这个方向。

这条“自下而上”的路曾经通过半导体技术和激光技术催生了

第一次信息革命，使我们今天能便捷地使用各种计算机，智能手机，光纤通讯和整个互联网。

不过，尽管我们必须用量子力学才能理解半导体和激光的本质与工作原理，但这次信息革命仍然是属于“经典信息”的革命，我们处理的还是经典的二进制信息（即0或1，经典比特），信息传输和计算都基于经典物理学。

而随着量子信息的诞生，这一条路逐渐发展到了一个全新的阶段，正在催生着第二次信息革命，即一次完全属于量子物理学的量子信息革命。

量子信息包括量子通信和量子计算，即信息传输和计算都将直接植根于量子物理学。其中量子通信作为排头兵，走在了这次信息革命的最前面，成为它的第一个突破点。

量子通信按照应用场景和所传输的比特类型可分为“量子密钥分配”和“量子态传输”两个方向。

量子比特：

传统的信息技术扎根于经典物理学，一个比特在特定时刻只有特定的状态，要么0，要么1，所有的计算都按照经典的物理学规律进行。

量子信息扎根于量子物理学，一个量子比特（qubit）就是0和1的叠加态。相比于一个经典比特只有0和1两个值，一个量子比特的值有无限个。直观来看就是把0和1当成两个向量，一个量子比特可以是0和1这两个向量的所有可能的组合。

图1. 表示量子比特的Bloch球，球面代表了一个量子比特所有可能的取值。

但是需要指出的是，一个量子比特只含有零个经典比特的信息。因为一个经典比特是0或1，即两个向量。而一个量子比特只是一个向量（0和1的向量合成），就好比一个经典比特只能取0，或者只能取1，信息量是零个比特。

其中，“量子密钥”使用量子态不可克隆的特性来产生二进制密码，为经典比特建立牢不可破的量子保密通信。

量子不可克隆定理：

复制（即克隆）任何一个粒子的状态前，首先都要测量这个状态。但是量子态不同于经典状态，它非常脆弱，任何测量都会改变量子态本身（即令量子态坍缩），因此量子态无法被任意克隆。这就是量子不可克隆定理，已经经过了数学上严格的证明。

窃听者在窃听经典信息的时候，等于复制了这份经典信息，使信息的原本接收者和窃听者各获得一份。但是在量子态传输时，因为无法克隆任意量子态，于是在窃听者窃听拦截量子通讯的时候，就会销毁他所截获到的这个量子态。

在量子密码里（如BB84协议），正是由于量子不可克隆定理，光子被截获时经过了测量，偏振状态就发生了改变。接收方就会察觉密码的错误，停止密码通信。这也就确保了通信时量子密码的安全性，从而也就保证了加密信息的安全性。

在传输量子比特时，由于量子不可克隆定理，销毁量子态就是销毁了它所携带的量子比特，于是无论是接收者还是窃听者都无法再获得这个信息。通讯双方会轻易察觉信息的丢失，因此量子比特本身具有绝对的保密性。量子不可克隆定理使得我们直接传输量子比特的时候，不用再建立量子密码，而是直接依靠量子比特本身的安全性就可以做到信息不被窃取。

目前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；

“量子隐形传态”是利用量子纠缠来直接传输量子比特，它还处于基础研究阶段，未来将应用于量子计算机之间的直接通信。

1量子密钥

目前实用化的量子密钥分配是由查理斯.本内特（Charles Bennett）和吉勒.布拉萨（Gilles Brassard）在1984年提出的BB84协议。

该协议把密码以密钥的形式分配给信息的收发双方，因此也称作“量子密码”。该协议利用光子的偏振态来传输信息。因为光子有两个偏振方向，而且相互垂直，所以信息的发送者和接收者都可以简单地选取90度的测量方式，即“+”；或45度的测量方式，即“×”，来测量光子。在90度的测量方式中，偏振方向“↑”代表0，偏振

方向“→”代表1；在45度的测量方式中，偏振方向“↗”代表0，偏振方向“↘”代表1。

这样选择测量方式的好处是，如果选择“+”来测量偏振态“↗”或“↘”时，会得到50%的几率为“→”，50%的几率为“↑”。同理，如果选择“×”来测量“→”或“↑”时，会得到50%的几率为“↗”，50%的几率为“↘”。

为了生成一组二进制密钥，发送者首先随机生成一组二进制比特，我们称之为“发送者的密钥比特”。同时发送者对每个“发送者的密码比特”都随机选取一个测量模式（“+”或者“×”），然后把在

这个测量模式下，每个“发送者的密码比特”所对应的偏振状态的光子发送给接受者。比如传输一个比特0，选择的测量模式为+，则发

送者需要发出一个偏振态为↑的光子。

接收者这边也对接收到的每个比特随机选择“+”或者“×”来

测量，会测量出一组0和1。当接收者获得全部测量结果后，他要和发送者之间通过经典信道（如电话，短信，QQ等等）建立联系，互

相分享各自用过的测量方式。这时他们只保留相同的测量方式（“+”或者“×”），舍弃不同的测量方式。于是保留下来的测量方式所对应的二进制比特，就是他们最终生成的密码，如表2。

通过表2我们可以看出，只有当发送方和接收方所选择的测量方式相同的时候，传输比特才能被保留下来用作密钥。

如果存在信息截获者，他也同样要随机地选取“+”或者“×”

来测量发送者发送的比特。