3月5日,顶刊《自然》杂志刊登了意大利科学家团队的研究成果,通过一块特殊设计的半导体材料,让照射在上面的激光与半导体材料相互作用,形成一种混合状态的粒子,称为“极化激元”(polaritons)。科学家团队已经发现这种粒子在具备“超流体”特征的同时,具有固体的一些特征。正好契合了科学家对 “超固体”的理论预期。
因此,“超固体”并非日常生活中有重量、有形状的固体,部分媒体报道为“光能变为固体“的描述并不准确,但光确实具备一些与日常经验相悖的性质。利用光子的”能量身份证“和”拐弯运动“特性,人们让光纤通信的加密成为可能。
从只能语音通话的“1G”,到可以视频聊天的“5G”,光纤功不可没。无论是用手机看微信、刷视频,还是车辆读取定位、导航信息,这些从移动终端发出的无线信号,经临近的通信基站接收、处理成按特定规律发射的激光信号,通过光纤发往全国各地。光纤就像内壁贴满镜子的管道,光线会在其中不断反射,直到抵达另一端。无线信号和电信号容易受到干扰、能量衰减,因此需要许多基站“接力”,而光纤中的光信号可以无损传输很长距离,带来了巨大的效率提升,让陕煤曹家湾煤矿的无人巡检开采、襄阳的车流智能调控等需要快速反应、控制的应用得以实现。
随着各行各业更加依赖光纤实现自动操作、分享数据,其信息安全问题逐渐变得突出。实质上,光纤中的光能够实现完全反射,是需要光与光纤内壁始终保持一个较小的角度。如果受到外力弯折,一小部分光就会穿透光纤射出,别有用心的人就能借此获知其中信息。因此想要安全传输敏感信息,就必须对内容加密,使得窃密人只能获取无法直接解读的密文。
现在我们利用光纤传递信息,依靠的是光纤内激光束射出位置(相位)、闪烁快慢(频率)等宏观特征,窃密人在大量相同的光中“偷取一点”,很难被人发觉。如果要用光作为密钥,那么就要找到能够让作为密钥的光“独一无二”的那种特性。科学家通过光电效应实验发现,光的能量有高低之分,而且并不是连续的。一些材料在接收到足够多能量后,会以光的形式放出这些能量;当有些材料能将“1份”能量转化成“1份”光,有些则是“2份”能量转化成“1份”光。科学家将这种单位命名为“量子”,“一份光”也就是一个光量子。能量水平便成为了光量子无法被拆分的“身份证明”。
既然光量子会因为能量的消耗改变性质,那窃听者可以重新给光量子“充能“,或是复制一份能量相同的光量子给原来的接收者,从而避免被发现吗?答案是否定的。关键在于光量子不仅有作为“身份证明”的能量水平,还有独特的运动状态。我们通常认为光是沿直线传播的,用手挡住阳光,会形成一片影子,这是我们认为光沿直线传播的生活实例。但如果仔细观察影子的边缘,会发现它其实是模糊的——影子从手指边缘向内逐渐加深,表明光能够“绕过“障碍物传播。实验证明,单个光量子的传播方式与声波、水波、舞动的飘带更加类似,具备波动传播的性质。通过人为处理,相同能量的光量子也能以不同的波动轨迹传播。当单个光量子被窃密人截获的那一刻起,它的运动就随之停止或改变,也就无法得知之前的轨迹了。如果说能量水平是光量子的”身份证明“,运动状态也就成了光量子的”未读标记“。
由于光量子无法被拆分,且无法通过截获来得知发出时的运动状态,光量子密钥在光纤内传播时的安全性也就得以保证。但原本的接收者如何确认自己接收到了正确的密钥,并用于解密原文呢?之后我们将详细介绍量子密钥分发技术中的“BB84协议”。
本稿件经中国通信学会量子通信专委会专家审核
来源: 中国通信学会原创