量子密钥通信.docx

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1、量子密钥通信二、郑厚植院士讲座6.量子密钥通信下面要来一个跨越及从这个实验怎么进入到量子密钥通信。量子力学里有一个最基本的海森堡的测不准关系。现在稍微用一个非常简单的数学来描述一下测不准的具体含义是什么。跟经典力学一样，在量子力学当中有两个观测量，一个A，一个B。对于经典力学最简单的，可以说一个是坐标，一个是动量。A力学量的平均值是vA＞，观测值肯定跟平均值上下是有波动的。用A表示平均值的偏差，同样用B表示观测值与平均值的偏差。一般叫均方值。就是A乘B减掉B乘A,—定等于零，在经典力学的范畴里是对的，在量子力学的范畴

2、是不对，两个量不能随便交换次序。A乘B减掉B乘A是什么意思呢？量平均值的绝对值的平方，这就是说海森堡的测不准关系可以用这样的数据，A物理量的均方乘上B物理量的均方，一定要大于四分之一的对应括号的平方。简单从不等式来看，只要是A乘B减掉B乘A不等于零的话，就是方程的右面不等于零，我们就一定知道vA、B＞的平方，这两个物理量不能同时被测准，这是什么含义呢？如果B能准时测准，B就等于零了，除过去，在分母上等于零，偏差就要无穷大，反过来也是这样，A如果能测准，B的偏差就要无穷大。200年前Young双缝电子衍射，怎么能够做一

3、个保密的通信？既然是通信，发射方是小女孩儿，叫Alice，接收方是Bob，可能是她的男朋友，Alice用电子枪发射电子，通过1、2两个双缝，通过来以后Bob弄了一块底板，看底板上接收到什么东西。假如把狭缝1堵住，电子只能通过狭缝2，在底板上的强度分布一定是这样的情况。反过来一样，堵上2，让电子通过1，这时的强度分布就是这样的。很容易想象到，这两个累加起来一定就是这样的。但事实上通过狭缝1、2的电子，要互相发射干涉，产生了一个干涉条。Bob只要一看我得到了一个干涉条纹，是波动性的结果，就保证了中间没有任何人窃听。两个项

4、目同时开的时候，强度P12实际上等于通过狭缝1的状态加上通过狭缝2的状态的绝对值的平方。现在有一个黑客Eve躲在这儿想进行测量，要看看Alice发出来的电子是不是从狭缝2来的，情况马上发生变化，这是量子力学里讲的状态，如果一旦有人测量它，这个状态就要进行探索。这个分布证明了粒子性。从双重电子衍射可以用来做保密通信，Bob只要看我接收到的图形，如果是正当的衍射图形还是这样的图形，如果出现这样的图形，就知道一定有黑客在窃听。当然还不能真正用到量子通信里。真正的量子通信是怎么做的？爱因斯坦发现外光电效应，用的光包含了许多许

5、多光子，但是在量子通信里我们用单个光子。量子通信有一些名词，一种叫量子密钥通信，还有一种叫量子隐形传态，这里的量子力学太多了。要讲量子密钥通信，一定要看一下经典的密钥通信是怎么做的。保密通信对于国家的安全是非常重要的，一般的做法，同样有一个发射方Alice，有一个接收方Bob。通信总是有一个明文，人能看得懂的文。在发送以前有一把钥匙，叫做密钥。通过的一定方式加密了，把它送到公共的通信讯道上去。Bob接收到了加密以后的密文，利用同样的密钥解密，这时知道Alice发给他什么样的秘密信息。但是这里有个条件，Alice必须告

6、诉Bob,通过非常秘密的信道说我使用的密钥是什么，否则Bob没法解密。当然，在公共讯道上有黑客，Eve照样可以窃听。形象地讲，Alice本来想把照片发给Bob，加密以后照片变得什么都没有了，Bob用密钥解密，又复原了图片。无论是第一次世界大战、第二界世界大战和现代战争，保密通信是绝对重要的。经典的密钥通信存在什么样的安全隐患？发展到现在，有一种一次性使用的，像写信的便笺式的密文，被认为是安全的，但是要使用的密钥，密钥实际上是一组无规则的1010数字，长度要跟明文的长度是一样长的，而且这个密钥一定要通过秘密信道传送，通

7、过这个信道传送的费用高的非常不现实，比如采取非常保密的邮差，危险性很大，半路被人劫持了以后很麻烦。这时有人说太贵了，我想把密钥重复使用第二次，把密钥的长度缩减一点，这时就危险了，密钥通信就不安全了。计算机发展到现在，窃听者Eve窃取了加密的东西以后，可以利用计算机解密，这就是经典的密钥通信的安全隐患。而且经典的密钥通信有一个逻辑上的困惑，我在跟Alice和Bob准备进行密钥通信，但必须先另外有一个通道进行密钥通信，这从道理上有一个鸡和蛋怎么解的问题。基于测不准关系的量子通信。现代的数字通信都是用1、0代表最基本的数字

8、位，一般叫做比特。在计算机里最常用的是高的电瓶代表1，0电瓶代表0，或者在CCD里有很多电荷代表1，没有电荷就代表0。一个数字0、1，只要有两种可区别的状态，就可以表示。对单个光子来讲，运用电场的偏振方向进行。光是电磁场，Kz是光的传播方向。跟传播方向的垂直平面有高频电场，电磁量的方向可以沿着X方向，也可以沿着Y方向。同时也可以说把沿X方向的作