2025-03-30 07:30:03
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(zhòng)量(liàng)、有(yǒu)形(xíng)状(zhuàng)的(de)固(gù)体(tǐ)，部(bù)分(fēn)媒(méi)体(tǐ)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(zhōng)不(bù)断(duàn)反(fǎn)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(lì)弯(wān)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(zi)“充(chōng)能(néng)“，或(huò)是(shì)复(fù)制(zhì)一(yī)份(fèn)能(néng)量(liàng)相(xiāng)同(tóng)的(de)光(guāng)量(liàng)子(zi)给(gěi)原(yuán)来(lái)的(de)接(jiē)收(shōu)者(zhě)，从(cóng)而(ér)避(bì)免(miǎn)被(bèi)发(fā)现(xiàn)吗(ma)？答(dá)案(àn)是(shì)否(fǒu)定(dìng)的(de)。关键在(zài)于(yú)光(guāng)量(liàng)子(zi)不(bù)仅(jǐn)有(yǒu)作(zuò)为(wèi)“身(shēn)份(fèn)证(zhèng)明(míng)”的(de)能(néng)量(liàng)水(shuǐ)平(píng)，还(hái)有(yǒu)独(dú)特(tè)的(de)运(yùn)动(dòng)状(zhuàng)态(tài)。我(wǒ)们(men)通(tōng)常(cháng)认(rèn)为(wèi)光(guāng)是(shì)沿(yán)直(zhí)线(xiàn)传(chuán)播(bō)的(de)，用(yòng)手(shǒu)挡(dǎng)住(zhù)阳(yáng)光(guāng)，会(huì)形(xíng)成(chéng)一(yī)片(piàn)影(yǐng)子(zi)，这(zhè)是(shì)我(wǒ)们(men)认(rèn)为(wèi)光(guāng)沿(yán)直(zhí)线(xiàn)传(chuán)播(bō)的(de)生(shēng)活(huó)实(shí)例(lì)。但(dàn)如(rú)果(guǒ)仔(zǐ)细(xì)观(guān)察(chá)影(yǐng)子(zi)的(de)边(biān)缘(yuán)，会(huì)发(fā)现(xiàn)它(tā)其(qí)实(shí)是(shì)模(mó)糊(hu)的(de)——影(yǐng)子(zi)从(cóng)手(shǒu)指(zhǐ)边(biān)缘(yuán)向(xiàng)内逐渐加深(shēn)，表(biǎo)明(míng)光(guāng)能(néng)够(gòu)“绕(rào)过(guò)“障(zhàng)碍(ài)物(wù)传(chuán)播(bō)。实(shí)验(yàn)证(zhèng)明(míng)，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
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