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屡屡突破的量子通信,为什么被质疑是伪科学?《自然》这样回应!

作者:admin发布时间:2020-09-05分类:音乐教室浏览:25评论:0


导读:原标题:屡屡突破的量子通信,为什么被质疑是伪科学?《自然》这样回应!量子力学的发展确实伴随着大量的矛盾与争议,特别是在量子通...
原标题:屡屡突破的量子通信,为什么被质疑是伪科学?《自然》这样回应!

量子力学的发展确实伴随着大量的矛盾与争议,特别是在量子通信开始发展后,有部分“消息灵通”人士已经洞察了量子通信的“伪科技”本质,并且还再三指责科普量子通信的文章为伪科学站台!这些诘问到底是科学的吗?

屡屡突破的量子通信,为什么被质疑是伪科学?《自然》这样回应!

量子通信的原理是什么?

量子通信的原理还要问么,不就是量子纠缠么,传说中的量子通信就是将纠缠中的两个量子分开,即使相隔在宇宙的两端,当A粒子的状态发生改变时,B粒子也会随之发生改变,这个通讯速度超越光速,距离再遥远也是即时通信!

屡屡突破的量子通信,为什么被质疑是伪科学?《自然》这样回应!

听起来完美的量子通信确实应该如此,但事实上我们并不能做到在观察处在量子叠加态的不触发坍缩,所以从理论上来看,这种完美的通信方式是不可能存在的,这是不是人类的技术不够,而是量子世界的客观坍缩理论所决定的!

客观坍缩理论

薛定谔方程的线性性质允许粒子自然地处于几个不同量子态的叠加态,当然它也允许宏观物体处在几个不同量子态的叠加态,但在大自然中从来都没有观察到过这种现象!因为宏观物体永远都会占据一个确定的位置,因此将微观物质的尺寸加大时,它的位置和动量将会被同时确定!

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屡屡突破的量子通信,为什么被质疑是伪科学?《自然》这样回应!

但在微观状态下,这个处于量子叠加的状态是允许存在的,但根据哥本哈根诠释的波函数坍缩假说,在观察动作之后,叠加态会坍缩为可观察量的几个本征态之中的一个本征态,而坍缩至任何一个本征态的概率遵循玻恩定则!

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所以很抱歉,根据哥本哈根诠释,这种直接利用纠缠态的量子通信是不存在的。

EPR佯谬

量子通信的最早起源是来自爱因斯坦向波尔反驳量子论不完备的EPR佯谬,爱因斯坦在第六届索尔维会议上的光箱实验被波尔击败,此后他与波多尔斯基和罗森花了数年时间,整出了一个《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗?》的论文,发表在《物理评论》上。

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这个思想实验很容易明白:一个不稳定的大粒子衰变为两个小粒子,假设这两种粒子有可能的量子自旋,粒子A为左旋,为了保持守恒,那么另一个小粒子B必定是右旋!然后将两个粒子分开很远,比如几万光年,但我们在观察之前,并不知道哪个是左旋,哪个是右旋!

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但当我们观察粒子A时,那么它的波函数瞬间坍缩,随机选择了一种状态,比如说是右旋,那么B粒子必定会变成左旋,那么请问它们是如何保持一致的呢?既然没有超光速通信,因此认为在分开的一瞬间,粒子A和B的左右旋就被确定了!

阿斯派克特实验

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但量子论并不是这样解释,而是认为无论相隔多远,在观测之前,它们仍然处在量子叠加态,所以根本不存在什么超光速通讯,叠加态的观测时坍缩,一个随机选择左旋,一个右旋以保持守恒!

这就是后来用他们名字首字母命名的ERP佯谬!

这个EPR佯谬提出后,由于设备局限,所以爱因斯坦尽管处在下风,但他并不认输,真正的试验要到1980年代的法国奥赛理论与应用光学研究所的阿斯派克特试验才被证明是哥本哈根诠释是比较正确的!因为此时爱因斯坦只输了5个标准方差!

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后来关于EPR佯谬试验的设备越来越先进,到1998年奥地利因斯布鲁克(Innsbruck)大学的实验时,爱因斯坦输得就有点惨了:30个标准方差!

现在的量子通信到底是什么量子通信?

准确的说,现在的量子通信并不是量子纠缠通信,而是量子加密通信,要了解量子加密通信的话,必须要来了解下BB84协议!

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这个协议是查尔斯·贝内特和吉勒·布拉萨在1984年发表的论文中提到的量子密码分发协议,后来以两个人的名字第一个字母+年份,作为了这个经典协议的名字,任意两组共轭状态都可以用此协议,它利用的是光子的偏振态来传输信息,详细描述有些不容易理解,请看下图:

BB84协议

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在这个过程中,如果有人窃听,那么窃听者为了光子的偏振态,那么必须做测量,那么会导致秘钥的误码率增加,双方可以约定误码率超过多少时该组秘钥就被废弃!

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这种量子通信的方式有一个缺点,必须用一个量子秘钥发送通道和传统数据传输通道,两者必须配合才能正常工作,因此当前研究的也是如何更高效以及更远距离和更少的误码率发送与接收秘钥,但数据仍将通过Internet网来完成!

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当然通信除了速率外最终要的指标就是不可破译,传统的秘钥中总是存在各种缺陷,并不能做到100%保密,但量子秘钥不一样,可以发现秘钥被窥视,因此这种秘钥分发的安全性超出想象!

为什么有人再三指责量子通信?

除了网上那些有的没有的指责各种量子通信周边工程配套诈骗外,其他主要集中在如何制造出取得单光子的光源,2016年1月14日潘建伟、陆朝阳在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了题为《On-Demand Single Photons with High Extraction Efficiency and Near-Unity Indistinguishability from a Resonantly Driven Quantum Dot in a Micropillar》的论文,物理评论快报上的截图如下:

屡屡突破的量子通信,为什么被质疑是伪科学?《自然》这样回应!

当然种花家也看不懂这种论文,不过随后美国物理学会的《物理》(Physics)网站以“全能的单光子源”为题刊发了介绍文章,《自然》(Nature)期刊也以“可实用化的单光子源”在其研究亮点栏目作了深入报道,英国物理学会的《物理世界》(Physics World)和美国光学学会的《光学与光子学新闻》(Optics & Photonics News)也做了长篇报道。

潘建伟(右)、陆朝阳

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有一点是我们是可以了解的,到今年为止已经接近5年,这种突破性的进展同行评议时效性很强,很快就会有各大科学团体跟进,当然《物理评论快报》的审核也不是吃素的,这种经过将近5年时间考验的论文,也不是一个推销交通方面作品的老兄可以随便推翻的。

屡屡突破的量子通信,为什么被质疑是伪科学?《自然》这样回应!

其实还有很多站不住脚的观点,但人家很有耐心,堆砌各种文字,看上去很有说服力,不过种花家实在不想一一辩驳,最后送句古诗词给这位老兄“两岸猿声啼不住、轻舟已过万重山”,当大家在这里呱噪时,人家早已发表多篇SCI论文了,假如真有料,不妨也发表几篇?

标签:量子通信质疑伪科学爱因斯坦粒子实验突破协议状态秘钥哥本哈根陆朝阳


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