单光子光脉冲也能用于通信了，绝对安全的网络通信指日可待

据《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志7月16日刊发的一篇最新研究论文称，英国谢菲尔德大学（University of Sheffield）开发出了一种生成极快的单光子光脉冲的方法——用一种叫做“珀塞尔效应”（Purcell Effect）的现象来快速地生成光子——从而解决了量子物理学中的重要难题，这一进展可能在未来成为实现通信数据传输手段绝对安全性的核心科技。

在过去的几十年里，利用光纤线路中的光来进行数据传输的手段变得越来越普遍，然而，当前的技术缺陷是，每一次光脉冲中都包含了数百万个光子，而这也意味着，在理论上，其中的一部分光子可以在不被通信者察觉的情况下被拦截窃取。尽管目前的技术可以对安全数据进行加密，但是如果窃听者能够拦截包含代码细节的信号，那么在理论上他们也可以获得并解码其余剩下的信息。在这种情况下，这一安全性的缺陷就是单光子脉冲技术可以充分填补的一大空白——提供绝对的安全性。光通信中的每一个光子，即光的粒子，都代表了一部分计算机运算的基本语言——二进制代码，在最新的单光子光脉冲传输技术中，一旦光子被拦截，所传递的信息就会遭受干扰，从而提醒信息发送者有通信出现了差错，并判断通信过程可能遭到窃听。不过，科学家们一直在力图克服的技术瓶颈是，如何足够迅速地生成光子以便它们能以足够快的速度携带和传输大量数据，而单光子光脉冲技术就成功攻克这一难题。

该论文中阐述的实验过程大致是，首先科学家把一种称为“量子点”的纳米晶体放置在一个更大的晶体——半导体芯片——空腔中，然后用激光照射轰击这个点，激光中能量随即被量子点所吸收，最后这些能量再以光子的形式被释放出来。其原理之一是，当你把纳米晶体放在一个非常狭小的空腔中时，激光在空腔内壁的不断反弹运动会加速珀塞尔效应生成光子的速度。该技术手段的问题是，携带数据信息的光子很容易与激光相互夹杂混淆。谢菲尔德的研究人员最终克服了该问题——他们将腔内蹦出的光子和进入芯片的光子分离开来，从而形成两种不同类型的脉冲。通过这种方式，研究小组已经成功地将光子发射速率比不使用珀塞尔效应提高了大约50倍。尽管这不是迄今为止人类开发出的速度最快的光子光脉冲，但是其至关重要的一个优势是，其产生的光子都是相同的，而这一特性正是许多量子计算应用项目的基本要求。

谢菲尔德大学光学物理学教授马克·福克斯（Mark Fox）解释道:“利用光子传输数据，让我们能够利用物理学的基本定律来保证通信的安全性。（在这种方式下）如果不改变粒子的性质，就不可能以任何方式测量或读取光粒子上的信息，因为光子一旦受到干扰，数据就会被破坏并发出报警信号。我们的这一方法还解答了一个困扰科学家20年的问题：如何利用“珀塞尔效应”以一种有效的方式来加速光子的生成。虽然这项技术可以很好地应用于普通光纤电信系统的安全保障，但是它最有用武之地的领域是在通信安全性至关重要的部门和单位，比如政府和国家安全机关。”

编译：朱明逸 审稿：西莫 编辑：张梦

来源： https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180716114602.htm

中子星和脉冲星是一回事吗 上面的物质一小匙就有几十亿吨重？

脉冲星实际上是中子星的一种。根据质量密度大小不同，中子星上面物质每立方厘米在1~20亿吨重之间。

脉冲星是中子星的一种，是会旋转的中子星，而且其能量射线扫射到地球，被人类所捕捉，就成了脉冲星了。

中子星是大质量天体死亡后留下的残骸，这个残骸只有10~20公里直径，质量却有1.4~2个太阳质量。如果数学还好的人随便算一下，凭着种密度，1立方厘米质量有多大不就出来了。

一般来说，大于7倍太阳质量的恒星死亡时会发生超新星大爆炸，抛弃大部分质量，中间核心部分急剧收缩，最终就会成为一个中子简并态的星体，就是中子星。

如果这个中子星的质量大于太阳质量的2~3倍，就会继续坍缩，直到缩小到史瓦西半径以下，就会无限坍缩成一个奇点，变成一个黑洞。

中子星所谓中子简并态，是指中子星整个星球都由中子组成。

这是因为巨大的压力把原子压碎了，电子被压缩到了原子核里，与质子中和成了中子，大家密密匝匝的挤在一起，整个星球就成了一个由中子组成的巨大原子核。

我们知道地球上所有的物体都是用原子组成，而原子是由电子和原子核组成，电子云包裹着原子核，电子与原子核之间有巨大的空间。

原子核的体积只是原子体积的几千亿分之一，却占有原子质量的99.96%。所以实际上我们看到的所有物质从微观上看都是一个蓬松的东西，如果把这个蓬松的东西打碎压实，压成了原子核，密度和比重就增加了几千亿倍。

中子星就是这样把原子核压实为一锅中子汤的物质，所以它的密度和重力有多大就可想而知了。

老有人说，科学界说中子星上的物质这么重，是凭空估计，谁也没有去取一小块来称过，所以不可相信。

科学界观测天体可不是像一些人这么胡思乱想的，科学家有很多方法来测算这个天体的数据，比如引力扰动、体积大小、光谱能量等等，中子星的性质就是这样测算出来的。人类发现的中子星已经有数千颗了，经过用科学的方法，全世界科学家们无数次的验证，得出的这些数据是可信的。

当然如果能够去中子星上取一小块物质称一下，就会更有说服力了。但这是完全不可能实现的，就比如测量钢水温度有一两千度，用遥感温度计测，你就不信，非要用手去摸一下才能算数，这么可能呢。

不要说每一颗中子星距离我们都在几百上千光年以上，人类迄今连1光年的太阳系也无法走出，而且即使能够到达，中子星也无法接近和登陆。

中子星不但物质比重大的出奇，表面重力达到一半光速，也就是每秒15万公里才能逃逸，除了光，掉在上面的东西就永远也出不来了。

新中子星温度奇高，中心可达万亿度，表面可达上亿度；且旋转极快，快的每秒达上千转；中子星的磁场达到万亿到几十万亿高斯，太阳才几千高斯，地球才0.7个高斯。

这样一个极端天体别说到上面去，就是靠近也不得了了。一个70公斤的人如果进入了中子星的引力范围，被拽了下去，其摔落下去的冲击能量相当于2亿吨TNT炸药爆炸威力，也就是10000多颗广岛原子弹爆炸当量。谁敢去谁去充当这个炸弹吧，无需研究就能得到人类最大的氢弹了。

即使一切都不在话下，有人硬是有本事从中子星上盗取了一小匙物质，也不能离开中子星。

如这个傻蛋乘坐亚光速飞船逃离，速度在每秒15万公里以上，是能够摆脱中子星引力的。但那一小勺物质一离开中子星强大的压力约束，立刻就膨胀了，爆炸的威力决不亚于若干颗伊万大氢弹，那傻蛋会和飞船一起，被那一小匙物质崩爆得万马分尸，渣子都不剩了。

因为被强大压力禁锢着得物质一旦被压力释放，就会瞬间恢复原子状态，膨胀几千亿倍。

当然，什么飞船呀、傻蛋呀，一到中子星就被压缩成中子了，要知道一小匙物质可是地球上全人类的重量！所以永远不要试图去做一些违背科学常识的事情。

现在回过头来说说脉冲星与中子星的区别。

前面说了脉冲星就是中子星的一种。一般中子星都保留着原来恒星的角动量，就像冰上芭蕾旋转时身体一缩小，就滴溜溜的成了陀螺，缩小后的中子星也就转得飞快了。

中子星自转轴与磁场方向不在一条直线上，这样从磁极发出的强烈能量射线脉冲就会像灯塔一样的扫射太空，当这个脉冲扫向地球时，被人类发现和捕捉，人类就把这种星体叫做脉冲星。

现在人类已经发现了2000多颗脉冲星。脉冲星很有规律的脉冲扫射，真的就像宇宙灯塔，成为了人类太空飞行定位和导航的坐标。

美国NASA利用脉冲星这种精准定位特性，锁定了4颗毫秒级脉冲星，作为精准的信号源，研发了一款宇宙版GPS导航系统。

这种导航系统可以为跨光年旅行导航，在光年尺度精准度可以达到公里级，而且还在向米级努力。

这可比地球上瞄准月球上一只蚊子的准确度强多了。科学界评价，有了这个系统，就有了人类打开星际旅行之门的钥匙。

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