量子物理中的自旋、密码学与对称性
1. 光子自旋与量子密码学
电子自旋和光子自旋存在明显差异。光子是矢量粒子,其波函数为四势 $A_{\mu}$。对于沿 $z$ 轴向上传播的光子,可采用线性偏振态的正交基 $(|x⟩, |y⟩)$。自旋状态 $\sigma_{z} = ±1$ 对应于组合 $\frac{|x⟩±i|y⟩}{\sqrt{2}}$。一个偏振角度为 $45^{\circ}$ 的场 $\vec{E}$ 类似于一个指向 $45^{\circ}$ 的矢量 $\frac{|x⟩ + |y⟩}{\sqrt{2}}$,是两种偏振的等量混合。这种量子特性在密码学中有重要应用。
一直以来,人们都有保密需求,如密码、银行信息和卫星控制信息等。数千年来,加密者和解密者之间的竞争从未停止。例如,凯撒使用的凯撒密码是基于字母表和数字密钥的加密系统。二战初期,盟军成功破解了德国国防军恩尼格玛机的密码,取得了重大进展。
随着量子力学的出现,保密者开始占据优势。基于不确定性原理的密码学设备已达到工业水平,并由多家商业公司销售。下面介绍其工作原理。
密码学的基本问题是,两个人(如 Alice 和 Bob)需要通过公共信道(如电话线或无线电)交换秘密信息。窃密者可以接收信号,但没有加密密钥就无法理解信息。密钥可以用一个秘密数字表示,数字位数越多,保密性越好。但首先,Alice 和 Bob 必须共享这个数字,关键问题是如何在避免窃听者获取的情况下交换密钥。
IBM 的 Charles Bennet 和蒙特利尔大学的 Gilles Brassard 开发了一种基于量子力学的安全方法。信号以 1 或 0 的比特序列传输。Alice 和 Bob 约定,“水平”偏振的光子为
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