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量子纠缠和量子通讯

  1、量子纠缠
  量子纠缠是相距很远的两个量子,一个量子的行为将会影响另一个量子的状态。当其中一个量子被操作(如测量)使状态发生变化,则另一个即刻发生相应的状态变化 。两个纠缠量子每个都处于叠加态,当对其中一个量子进行测量,它的叠加态就会坍缩为一种确定态,同时另一个量子的状态,也会产生同步变化,由叠加态坍缩为确定态。爱因斯坦认为量子纠缠满足定域隐变量理论,量子纠缠不能超过光速。贝尔通过实验论证了量子纠缠的非定域性,量子纠缠具有超距作用,不需要时间。量子纠缠速度不是量子的传递速度,而是量子感应速度,相互影响的速度。
  2、量子通信密钥生成
  量子通信本质上是光子密钥的传输,是根据光子纠缠原理将光子信息比特进行感应传递。"墨子号"卫星就是通过向两地发送纠缠光子,产生密钥,实现了两地信息加密通信。
  墨子号卫星是光子纠缠源,用一束紫外激光波照射非线性光学晶体,该晶体会释放多个偏振方向相同的纠缠光子对,分别向A、B两地发送,光子的偏振方向有四种:↑(0°) 、→(90°)、↗(45°)、↘(135°),对应的量子态:1、0、1、0,每个光子的量子态都处于0、1叠加态。A、B两地基站分别对接收的多个光子进行量子态的测量,测量选用+、×两种形状的偏振器。
  如上图,卫星发送的纠缠光子偏振方向有四种。当用+偏振器测量偏振方向↑ 、→光子时,光子的偏振方向不变并通过偏振片,光子的量子态没有改变,测得量子态为1、0比特;当用×偏振器测量偏振方向↑、 →光子时,光子通过偏振器后方向改变,光子偏振方向是↗或↘,测得比特为1或0;当用×偏振器测量↗、↘光子时,光子的偏振方向不变并通过偏振片,光子的量子态没有改变,测得量子态为1、0比特;当用×偏振片测量↑、→时,光子通过偏振器后方向改变,偏振方向是↗或↘,测得比特为1或0。
  假设量子卫星发送给A、B两地的随机纠缠量子对偏振方向均为:→、↑、↑、↑、↗、↘
  A、B两地接收端采用如下的方式进行随机测量,可以分别得到如下图:
  测量完成后,A、B双方通过公开信道(电话或微信)通信方式,把自己每次测定使用的偏振器形状告知对方,这样A、B双方把相同测量的偏振器对应的比特保留,形成一组二进制代码"1010",这组代码就是A、B两地的共享的密钥。当A地向B地发送信息时,A地用密钥对信息加密形成密文,然后将密文发送给B地,B地用已知密钥对密文进行解密还原信息,从而实现两地量子通信,保证信息的安全性。
  量子密钥不能被窃取和破译,因为要想窃取密钥,必须要拦截卫星发送的纠缠光子,必须将偏振器置于光路测量光子的量子态,由上面讲述原理,如果偏振器选择的不正确就会改变测量光子的偏振方向,这样就无法测定光子的量子态比特,因此无法复制完全相同的一列光子形成的密钥。

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