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发表于 2015-8-19 18:07:10
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量子纠缠是一种特殊的物理现象,源自于一对量子之间的内在关联。量子理论指出,对于两个处于纠缠态的量子来说,无论它们相隔如何遥远,一旦对其中一个进行测量,都会以某种方式影响另外一个的测量结果,导致它们塌缩为某种特定的状态,两个测量结果之间会表现出某种特定的相关性。量子通讯的基本过程是,发送者生成一对处于纠缠态的量子,并把其中一个通过量子传输通道发给接受者,双方分别对它们进行测量,利用各自得到的测量结果完成密码信息的传递。
量子通讯的工作方式是:每次通讯前,利用量子纠缠态传递一个不同的新密码,利用量子通道传递,而加密后的正文和其他信息则可以通过公开的信道进行传递。只要量子密码不被窃听,通讯内容就不会被破译。至于量子密码本身,如果有人试图进行窃听,即对其中的量子进行测量,就会导致量子塌缩。在这种情况下,这个量子就进入窃听者的接收器,而不是达到真正的接受者那里。依据量子物理的原理,发送者和接受者就会发现,测量结果和预期的对不上号,于是知道自己被窃听了。即使窃听者依据其测量结果,试图复制出相同的量子发送给接受者,也是行不通的。因为复制出来的量子和发送者手中的那个原始量子之间不存在纠缠关系,这一点会反映在接受者的测量结果里,收发双方可以据此判定遭到了窃听。
所以,量子通讯的保密作用在于,从物理上保证了窃听者必然会被发现,而不是某种不可破解加密算法,也不是保证密码绝对不被窃听。实际上,在保密通讯中,比密码泄露本身更可怕的,是密码泄露了而自己还不知道。二战中的德国和日本都因此吃过大亏。量子通讯的优势在于,一旦遭到窃听,会被立即发现,可以重新发送密码,直到确认未被窃听为止,然后才发送密文。最坏的情况是放弃通讯,胜过泄密了还茫然无知。所以,准确来说,量子通讯的优点并非是“不可干扰的”、“不可破译的”或者“不可窃听的”,而是“窃听者一定会被发现的”。
从量子通讯的原理可以看出,其难点在于如何长距离地传递单个量子(实际中是光子),并保证其量子态不因环境干扰而发生变化,也不可以使用中继和放大技术,因为这样一来就会破坏量子通讯不可窃听的特性。实用的量子通讯技术不是直接传递光子,而是通过某种方式把该光子的量子状态复制给远处的其他光子,从而在接受者那里制造出一个处于纠缠态的光子,从而达成量子通信的目的,这被称为“量子态隐形传输”,也就是中科院的潘建伟团队所采用的技术路线。
目前在量子通讯领域中国无疑已经走在了世界前列,这并非是一个孤例。同样是在最尖端的应用基础科学领域,2013年3月,浙江大学高分子系高超教授的团队制造出了世界上最轻的固体,这是一种密度为0.16千克/立方米的超轻气凝胶,是平常空气密度的八分之一,刷新了2011年由美国人创造的、固态材料密度0.9千克/立方米的世界纪录。超低密度并非是这种材料的唯一特点,它还具备高弹性,被压缩80%后仍可恢复原状;对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,是已报道的吸油力最高的材料,在保温、催化和环保方面都有潜在的用途。
量子霍尔效应是量子世界中的重要研究方向,整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现都分别获得了诺贝尔物理奖。2013年3月,清华大学的薛其坤院士领衔的科研团队在《科学》杂志上在线发表了量子反常霍尔效应的研究成果。量子霍尔效应需要很强的外加磁场,而量子反常霍尔效应则无需任何外加磁场,可用于新一代的低功耗微电子器件。实现这种效应的难点在于材料的制备,薛其坤团队用四年的时间,发展出了一套独特的制备方法,采用分子束外延的手段,得到了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜,在极端低温下进行精密测量,最终实现了量子反常霍尔效应。在这场正常科学竞赛中,美、德、日等国科学家也都发起了冲击,但均未取得最后成功。
量子理论还可以被用来做成量子相机。一般意义上的光学成像系统,无论是日常使用的卡片相机还是摄影记者手中的专业“大炮”,无论是科学研究用的天文望远镜还是军事侦察卫星上的观察设备,都是基于光线成像原理的,所有这些成像系统的分辨率都受到衍射极限的制约。物理原理决定了,它们的角分辨率能力与其镜头的尺寸成正比,通俗地说,有多大的镜头,就能够在多远的地方看见多小东西。某些电影中渲染侦察卫星可以看见地面上的细微景物,这纯属艺术夸张,实际中是不可能的,卫星的镜头尺寸受到发射能力的制约,所以亚分米的地面分辨率已经是其物理极限了。此外,所有这些设备都是基于光线成像,很容易受到光照、雨雾、云层等自然因素的干扰,轻则影响成像质量,重则根本无法成像。但量子相机却可以避开这些限制。 |
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