10000个科学难题物理卷

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1、.....10000个科学难题：物理卷具有绝对保密性的量子密码通讯QuantumCommunicationwithUnconditionalSecurity大家也许会认为武器是取得战争胜利的绝对因素，看不到的却是战争背后的情报战。在两次世界大战中，情报起了举足轻重的作用。第二次世界大战中英国破译了德国的密码，美国破译了日本的密码，这些为胜利迎来了不可估量的优势。因此如何保密和破译非常重要。密码学具有很长的历史，中国是最早使用保密工具的国家之一，早在西周的时候就使用了一种叫做阴符的利用长度来表示战争结果的密码体系。现代密码

2、学使用数学的复杂性来进行加密和解密的。加密和破译是一对纠缠着的矛盾，不断有新的加密方法发明，而又不断有密码体系被破译，而这又促进了新的加密方法的发明。现在人们使用的密码系统有多种，如RSA方案和AES方案。大多数银行和金融系统都是用RSA方案设置保密系统的。这种方案在原理上并不是证明是绝对安全的。它的原理是基于大数很难做质因子分解，现在还没有证明分解一个大数没有多项式步骤的算法。虽然如此，现有的已知的最好算法需要指数函数步骤，用现在最先进的计算机也需要几百万甚至更长的时间才能完成。从这个意义讲，RSA方案目前依然是安全可

3、靠的。但是如果量子计算机研制成功，就可以利用Shor算法，用三次方函数的步骤分解这个大数，从而破译RSA。这就是说，量子计算机一旦发明，RSA方案密码系统就不再是安全的了。同时，AES密码系统也可以由量子搜索方法破译。传统密码学受到了量子计算机的灾难性的打击。在对传统密码带来致命打击的同时，量子力学也为密码学带来了变革。使用量子力学进行加密，我们可以构造不可破译的量子保密通信体系。由于量子计算机可以破译现有的所有密码体系，一旦量子计算机研制成功，现有的密码体系就无法再使用。量子密码体系不会被量子计算机攻破，随着量子技术的

4、发展，量子密码通信的使用会越来越迫切。有专家评述，量子计算机的研制成功将会给信息技术带来一场继个人电脑之后的另一次巨大不情愿而且是痛苦的冲击，信息技术中涉及到安全的所有硬件必须更换。量子力学是20世纪自然科学最伟大的成就之一，它是描述微观物体运动的规律的理论体系。它的许多观念同人们的日常生活经验以及经典物理学的概念有根本的不同。在历史上爱因斯坦和玻尔就量子力学进行了一场长时间的争论，在当时的实验条件下，这些争论更像是哲学家之间的争论。而随着科学技术的发展，这些争论可以通过实验来检验。目前已有的实验结果都支持量子力学的理论

5、预言。而这些实验不但检验了理论，而且被应用于现代科学技术中。量子力学与信息科学的结合产生了量子信息学。量子密码通信就是量子信息学的一个部分。超前的东西常常是是难于被时代所接受。阳春白雪，曲高和寡。量子通信的早期发展就是这样。量子密码通信的思想是Wiesner在1976年提出的。当时他将这个思想用于制作不可复制的电子货币,他撰写一篇“共轭编码”的论文,论文被编辑退稿,未能引起人们的注意。直到1983年该论文才在“SigactNews”上发表[1]。这个思想确实超前，量子钞票的思想在当今也不会被大家所接受。美........

6、..国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard在70年代末了解到这个思想,并在1984年提出第一个量子密钥分配的协议，从而宣告量子密码学的诞生[2]。下面我们首先介绍量子测量的假设。我们以单光子为例。用单光子的偏振态来进行信息编码。光子的偏振方向只有相互垂直的两个，而且它们与光子的传播方向垂直。如果我们用图1左边的+基型的偏振测量仪进行测量，得到的结果只能是水平H或者垂直V，如果用图1右边的X基型偏振测量仪测量，得到的结果只能是R或者L。这是量子力学的测量原理决定的。量子力学的测量原理告诉我们，只

7、能得到一个测量物理量的本征值，就像上面的每一种偏振测量仪器的偏振状态。如果一个光子处在偏振态L上，它是X基型偏振测量仪的本征态，如果用X基测量仪进行测量，得到的结果还是L。但是如果我们用+基测量仪进行测量，我们就需要把L在+基的本征态下展开，图1中已经给出，即

8、L(

9、0

10、1)/2。我们这时候对光子进行测量只能得到H或者V，得到的每种结果的概率是50%。如果光子的状态是

11、(a

12、0a

13、1)则对其在+基中进0a22行测量，得到H的结果为

14、a

15、，得到V的几率为

16、a

17、。这时候态是归一化的，0122即

18、a

19、

20、

21、a

22、1。同样的，如果在X基中测量处在H或V状态上的光子的偏01振得到的结果只能是L或者R，每种结果的概率是50%。我们可以把光束看做是大量的单光子组成的体系，如果我们用X基去测量处在H状态上的光束，我们得到的结果是在L和R方向都有，只是每一种偏振光R或者L的强度只是入射的H偏振光的一半。这是大量光子的平均效果。一个