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        “墨子號”上天都要干啥?

        2016-08-23 20:36:51
        新民周刊 2016年33期
        關(guān)鍵詞:傳態(tài)墨子隱形

        虞駿++張文卓

        它將第一次在太空中實現(xiàn)最先進也最安全的信息傳送手段——量子通信;這不但是未來覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)的先驅(qū),甚至還有助于進一步驗證量子理論自身的完備性。

        這條征途沒有盡頭。好在這一回,中國站在了最前面。

        115年前,馬可尼發(fā)出第一個越洋無線電信號的那一天,什么都沒有改變。沒有人能預(yù)計到接下來一百年間通信會把這個世界變成什么樣子——但每一個在場的人都知道,世界一定會因此而改變。

        今天,我們站在了和他們一樣的位置上。

        墨子可能是第一個發(fā)現(xiàn)光沿直線傳播的中國人,而“墨子號”則可能改變我們世界中信息傳播的方式。它將第一次在太空中實現(xiàn)最先進也最安全的信息傳送手段——量子通信;這不但是未來覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)的先驅(qū),甚至還有助于進一步驗證量子理論自身的完備性。而這一切,都是在數(shù)學上最可怕問題的背景之下升空的。

        一道最可怕的數(shù)學題

        要問世界上最可怕的數(shù)學題是什么,那答案只能有一個:P 是否等于 NP。更確切地說,是萬一P=NP了,我們該怎么辦。

        這四個看似人畜無害的字符是所有密碼學家最大的噩夢。它的意思可以簡單表述為:“對于某些問題,求出它的解將和驗證一個解對不對同樣容易?!睂芏鄦栴},這是好事。但對密碼學,它卻動搖了現(xiàn)實中使用的幾乎所有密碼體系的根基——它們的算法的基本原則就是“驗證密碼容易,找到密碼難”。大部分數(shù)學家“覺得”P≠NP,但還沒人能證明——而萬一P=NP,那么這些密碼體系就通通完蛋了,現(xiàn)有的一切隱私和安全都土崩瓦解,我們將進入一個一切都透明、又一切都不能相信的新時代——除非,在此之前我們抓緊時間將僅有的幾種能抵御P=NP的加密系統(tǒng)完善并投入應(yīng)用。這其中最有希望的路之一,就是量子密鑰分配的一次一密體系。

        而2016年8月16日,我們在這條路上邁出了至關(guān)重要的一步。要理解這一步,必須先知道我們現(xiàn)在的加密體系面臨著什么問題。

        我有一條信息,只想讓你看見

        從古代的飛鴿傳書和烽火傳訊,到現(xiàn)代的無線電話和互聯(lián)網(wǎng),技術(shù)雖然已經(jīng)面目全非,但就本質(zhì)而言,通信從來就沒有發(fā)生過變化。所有的通信,都可以還原成再簡單不過的一個場景:場景中有兩個人,分別是發(fā)送者A和接收者B,而所謂的通信,就是A將信息傳遞給B的過程。

        只可惜,在通信的世界里,從來不只有A和B,還存在無數(shù)個C——他們本來不該是通信的參與者,卻可能對A傳遞給B的信息特別感興趣,于是想方設(shè)法試圖截獲通信內(nèi)容。如果我有一條只想讓你看到的信息,那么如何確保信息不被第三方偷聽就是個非常重要的問題。然而,對于經(jīng)典通信方式來說,完全杜絕竊聽是做不到的。

        那么,至少讓竊聽者費一番功夫?答案當然就是加密了:給原始消息“打碼”之后,讓接收方“解碼”。加密技術(shù)多種多樣,但大部分都不完全可靠。它們只是“很難破解”,而不是“不可破解”。

        對于日常生活中幾乎所有應(yīng)用,“很難”就已經(jīng)足夠了——如果我的密碼需要一百萬年才能破出來,那跟無法破解也沒啥區(qū)別;可是如果P=NP,那么這些難題就都一下子變成了簡單題。就算沒有這個數(shù)學上的困難,未來計算機技術(shù)的發(fā)展——比如量子計算機——也能讓一大片目前常用的加密算法從很難變得不那么難。

        好在有些加密法真的就是理論上不可能破解的。這其中最著名的,就是“一次性密碼本”(one-time pad);如果使用正確的話,理論上被證明是牢不可破的。舉例來說,如果A要給B傳遞一串數(shù)字,20160816。在通信前,他們先隨機生成一個密碼本,長度至少與信息本身等長——比如,隨機生成的密碼本為43857241,A和B人手一份。發(fā)送信息前,A使用密碼本里的密碼給每一位數(shù)字加密。方法可以很簡單,每位數(shù)字都與密碼本上的對應(yīng)密碼相加,相加的結(jié)果僅保留個位即可。于是,A把原始信息加密成了63917057,并通過經(jīng)典通信方式發(fā)送出去。接收到加過密的數(shù)字后,B再使用同一個密碼本給每一位數(shù)字解密——每一位數(shù)字都與密碼本上的對應(yīng)密碼相減,相減的結(jié)果同樣只保留個位數(shù)字,不考慮正負號。這樣,B就還原出了原來的信息:20160816,通信完成。對于豎起耳朵偷聽的C來說,即使他在通信中截獲了63917057這串加密數(shù)字,由于手頭沒有A和B拿來加密和解密的密碼本,他便無法破解出A和B實際傳遞的信息。簡直天衣無縫!

        真的嗎?別忘了,一次性密碼本也是信息,它仍需要被分送到A和B的手中,讓他們?nèi)耸忠槐?,而且傳遞密碼本的通信過程必須嚴格保密,絕對不能被其他任何人竊聽。

        于是,問題回到了原點。一方面,有了理論上“牢不可破”的加密方法,才能夠?qū)崿F(xiàn)完全保密的加密通信;而另一方面,必須要有能夠完全保密的通信方式,加密方法才能夠在理論上“牢不可破”。這樣一個死循環(huán),在經(jīng)典通信方式中無解。

        幸好,解開這個死循環(huán),實現(xiàn)真正安全的加密通信的方法,就藏在量子世界的神奇特性之中。

        讓竊聽者無所遁形

        在我們熟悉的經(jīng)典世界里,事物的某一性質(zhì),比如說指針的方向,不論你采用什么方法去測量,得到的結(jié)果都應(yīng)該是一致的。這個世界里,信息可以用二進制的“經(jīng)典比特”來表示,任意時刻一個比特只有兩種特定的狀態(tài),要么是0,要么是1。但在量子世界里,事情就完全不是這樣了。

        1984年,查理斯·本內(nèi)特(Charles Bennett)和吉勒·布拉薩(Gilles Brassard)想出了 “量子密鑰分配方案”,這種方法被稱為BB84協(xié)議。由于BB84協(xié)議可以有效發(fā)現(xiàn)竊聽,從而關(guān)閉通信,或者重新分配密鑰,直到?jīng)]人竊聽為止,所以分配到A和B手中的一次性密碼本,就成為了一種“牢不可破”的加密手段,能夠給經(jīng)典通信加密,進而實現(xiàn)完全保密的加密通信。在這個協(xié)議基礎(chǔ)上,世界各國都開展了傳輸用量子密鑰加密過的二進制信息的網(wǎng)絡(luò)建設(shè),即量子保密通信網(wǎng)。中國在這方面走在了世界最前面。

        中國科學技術(shù)大學的潘建偉團隊,在合肥市實現(xiàn)了國際上首個所有節(jié)點都互通的量子保密通信網(wǎng)絡(luò),后來又利用該成果為60周年國慶閱兵關(guān)鍵節(jié)點間構(gòu)建了“量子通信熱線”。

        然而,發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標,是構(gòu)建廣域乃至全球范圍內(nèi)絕對安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。而想建設(shè)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò),必須依賴多顆量子通信衛(wèi)星?!澳犹枴绷孔涌茖W實驗衛(wèi)星,就是未來一系列量子通信衛(wèi)星的探路者。

        “墨子號”的重要科學目標之一,就是在衛(wèi)星和地面之間進行高速量子密鑰分發(fā),并在此基礎(chǔ)上進行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實驗,以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破。它將在衛(wèi)星與地面之間展開量子密鑰分發(fā)實驗,甚至將在北京和維也納之間嘗試超遠距離的洲際量子密鑰分發(fā)。它還將嘗試與地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)鏈接,為未來覆蓋全球的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)建立技術(shù)基礎(chǔ)。

        量子隱形傳態(tài):真正意義上的量子通信

        盡管“量子密鑰分配”能為經(jīng)典比特的傳輸建立牢不可破的保密通信,但嚴格來說,它傳遞的并不是真正的量子比特。在量子通信中還有另一個被稱為“量子隱形傳態(tài)”的方向,能利用量子糾纏來直接傳輸量子比特——那才是真正意義上的量子通信方式。

        量子力學中最神秘的就是疊加態(tài),而“量子糾纏”正是多粒子的一種疊加態(tài)。

        片密系統(tǒng)完善并投入應(yīng)用。這其中最有希望的路線 如果用薛定諤的貓做比喻,即A和B兩只貓如果形成上面的糾纏態(tài):那么無論兩只貓相距多遠,即便在宇宙的兩端,當A貓是“死”的時候,B貓必然是“活”;當A貓是“活”的時候,B貓一定是“死”。(當然真實的情況是,貓這種宏觀物體不可能把量子糾纏維持這么長時間,幾億億億億分之一秒內(nèi)就會解除糾纏。但基本粒子是可以的,比如光子。)

        這種跨越空間瞬間影響雙方的量子糾纏,曾經(jīng)被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance),并以此來質(zhì)疑量子力學的完備性,因為這個超距作用違反了他提出的“定域性”原理,即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速。這就是著名的“EPR佯謬”。

        后來物理學家玻姆在愛因斯坦的定域性原理基礎(chǔ)上,提出了“隱變量理論”來解釋這種超距相互作用。不久物理學家貝爾提出了一個不等式,可以來判定量子力學和隱變量理論誰正確。如果實驗結(jié)果符合貝爾不等式,則隱變量理論勝出。如果實驗結(jié)果違反了貝爾不等式,則量子力學勝出。

        但是,隨后的一次又一次實驗,結(jié)果都違反了貝爾不等式,證實了量子力學才是對的,愛因斯坦的定域性原理必須被舍棄。2015年,荷蘭物理學家做的最新無漏洞貝爾不等式測量實驗,基本宣告了定域性原理的死刑。

        因為這神奇的量子糾纏是非局域的,兩個糾纏的粒子無論相距多遠,測量其中一個粒子的狀態(tài),必然能同時獲得另一個粒子的狀態(tài),而這個“信息”的獲取又不受光速限制,物理學家自然想到,能否利用這種跨越空間的糾纏態(tài)進行信息傳輸?于是,基于量子糾纏態(tài)的量子通信應(yīng)運而生,這種試圖通過跨越空間的量子糾纏來實現(xiàn)對量子比特的傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?,被稱為“量子隱形傳態(tài)”。

        利用上面這個過程,就可以通過量子糾纏,把一個量子比特無損地從一個地點傳送到另一個地點。這也是量子通信目前最主要的方式。需要指出的是,由于步驟3通過經(jīng)典通信方式傳遞信息不可忽略,因此也就限制了整個量子隱形傳態(tài)的速度,導致量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速度實際上無法超過光速。

        量子計算需要直接處理量子比特,“量子隱形傳態(tài)”這種直接傳遞量子比特的傳輸,將成為未來量子計算之間的量子通信方式。量子隱形傳態(tài)和量子計算機終端,未來可以構(gòu)成純粹的量子信息傳輸和處理系統(tǒng),也就是真正意義上的量子互聯(lián)網(wǎng)。這將是未來量子信息時代最顯著的標志。

        在量子糾纏和量子隱形傳態(tài)領(lǐng)域,“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星同樣肩負著重要的科學目標,那就是在空間尺度上通過實驗來檢驗量子力學本身的完備性。這個科學目標,在身為量子物理學家的首席科學家潘建偉院士看來,或許比建立天地一體化的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)來得更顯誘人。

        目前已經(jīng)有很多實驗證明了量子力學的糾纏態(tài),但在長距離大范圍條件下進行上千千米量級的量子糾纏態(tài)觀測,還從來沒有人實現(xiàn)過?!澳犹枴绷孔涌茖W實驗衛(wèi)星上攜帶著量子糾纏光源,可以從太空同時向兩個地面站分發(fā)糾纏光子。完成量子糾纏分發(fā)之后,再對地面站的兩個糾纏光子同時進行獨立的貝爾態(tài)測量,便可以在超過上千千米的距離上對貝爾不等式是否成立進行檢驗。

        不僅如此,科學家還將利用“墨子號”衛(wèi)星,通過量子隱形傳態(tài)的方式,將微觀量子態(tài)直接從地面?zhèn)魉偷教罩腥?。盡管傳送的只是量子態(tài)而非粒子本身,并且這種量子通信方式也不可能超越光速,但至少從某種意義上,地星量子隱形傳態(tài)實驗將實現(xiàn)科幻小說里經(jīng)常出現(xiàn)一種進入太空的方式——直接傳送上去。

        “墨子號”:將科學轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)

        對于這些針對量子力學有效性的科學實驗,美國麻省理工學院物理學教授Vladan Vuletic是這樣評價的:“量子力學走到今天,已經(jīng)在很多不同的環(huán)境和體系下被檢驗過多次,幾乎不會有人真的以為,在延伸到太空甚至更遠的距離上,量子力學本身就會不再有效。不過,這一點如果能夠經(jīng)過實驗驗證的話,當然更好。”

        “從個人而言,我并不指望衛(wèi)星實驗?zāi)軌蚪探o我們?nèi)魏挝覀兩胁涣私獾牧孔恿W和有關(guān)量子奇特性質(zhì)的知識。然而,量子科學實驗衛(wèi)星項目卻有著非常重大的意義,它將會把科學轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù):如果實驗成功,它將有可能建立比經(jīng)典物理學更強有力的地面系統(tǒng)與空間系統(tǒng)鏈接。然后,這種鏈接可以在實際上用于安全的信息交流。因此,愛因斯坦對量子物理學的反對就會轉(zhuǎn)變成一種交流工具,這將是一個非常激動人心的進展。”

        “墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星只是一個開始。從長遠來看,“要實現(xiàn)全球化量子通信,還需要長期的努力,特別是需要多顆衛(wèi)星的組網(wǎng)”,量子科學實驗衛(wèi)星科學應(yīng)用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)副總師、中國科大微尺度物質(zhì)科學國家實驗室研究員彭承志表示。

        這條征途沒有盡頭。好在這一回,中國站在了最前面。

        什么是“量子”?

        它和“原子”、“電子”、“中子”這些客觀存在的粒子不同,“量子”不是一種粒子,在物理學中提到“量子”時,我們實際上指的是微觀世界的一種行為傾向:物質(zhì)或者說粒子的能量和其他一些性質(zhì)(統(tǒng)稱為可觀測物理量)都傾向于不連續(xù)地變化。

        例如,我們說一個“光量子”,是因為一個光量子的能量是光能量變化的最小單位,光的能量是以光量子的能量為單位一份一份地變化的。其他的粒子情況也是類似的,例如,在沒有被電離的原子中,繞核運動的電子的能量是“量子化”的,也就是說電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣,原子才能穩(wěn)定存在,我們才能解釋原子輻射的光譜。不僅能量,對于原子中的電子,角動量也不再是連續(xù)變化的。

        量子通信

        廣義地說,量子通信是指把量子態(tài)從一個地方傳送到另一個地方,它的內(nèi)容包含量子隱形傳態(tài),量子糾纏交換和量子密鑰分配。

        狹義地說,我們談到量子通信時,實際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信。

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