今天，小編要和大家聊的是“量子通信”。

“量子通信”這個專題，解析難度真心有點大。。。

因為它涉及到量子論、信息論這樣的燒腦理論，還關(guān)聯(lián)了密碼學(xué)、編碼學(xué)等一堆看著都要繞著走的復(fù)雜學(xué)科。

很多概念，光是看名字，都讓人瑟瑟發(fā)抖——

可是，量子通信這幾年發(fā)展非常迅速，頻頻在各大媒體中亮相，吸引了廣泛的關(guān)注。

關(guān)注之余，大家對它充滿了好奇和疑問，渴望對它有更深入的了解。

所以，盡管難度很大，我還是決定努力給大家做一個關(guān)于量子通信的專題介紹，幫助大家建立對它的基本認(rèn)知。

好了，廢話說了辣么多，我們開始吧。

Part.1 什么是量子？

讓我們把穿越時空，回到十九世紀(jì)末。

那個時代，是經(jīng)典物理學(xué)的巔峰時代。以牛頓大神為代表的科學(xué)家們，在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)方面取得了突飛猛進(jìn)的成就。

在世人看來，整個科學(xué)體系似乎已經(jīng)搭建完成，無懈可擊。

但是，隨著時間的進(jìn)一步推移，科技發(fā)展又進(jìn)入了新的階段。大量高精尖實驗儀器的問世，幫助人們逐漸打開了微觀世界的大門。

科學(xué)家們的研究對象，從低速物體逐漸變成了高速物體，再到音速、超音速、光速；從大型物體到小型物體，再到微觀物體。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，很多實驗結(jié)果都無法用經(jīng)典物理學(xué)解釋，甚至和傳統(tǒng)的理論認(rèn)知背道而馳。

最為代表的，是「邁克爾遜-莫雷實驗」和「黑體輻射」。

這兩個概念非常復(fù)雜，限于篇幅，我就不詳細(xì)解釋了。我們只需要知道，「邁克爾遜-莫雷實驗」后來催生了大名鼎鼎的“相對論”。而「黑體輻射」呢，催生了我們今天的主角——“量子論”。

1900年10月19日，為了解決黑體輻射的紫外災(zāi)難，普朗克在德國物理學(xué)會上報告了關(guān)于黑體輻射的研究結(jié)果，成為量子論誕生和新物理學(xué)革命宣告開始的偉大時刻。

在同年的12月14日（歷史上也把這天認(rèn)為是量子物理的誕生日），他發(fā)表了《關(guān)于正常光譜的能量分布定律》論文，得到一個重要結(jié)論：能量是由確定數(shù)目的、彼此相等的、有限的能量包構(gòu)成。

一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。

“量子化”，指其物理量的數(shù)值是離散的，而不是連續(xù)地任意取值。

例如，光是由光子組成的，光子就是光量子，就是一種量子。

而光子，就不存在半個光子、三分之一個、0.18個光子這樣的說法。

是不是有點暈？別急，我們總結(jié)一下：

量子一詞來自拉丁語quantum，意為“有多少”。

量子不是具體的實體粒子。

量子是能表現(xiàn)出某物理量特性的最小單元。

量子是能量動量等物理量的最小單位。

量子是不可分割的。

不知道有沒有明白一些？我相信不少童鞋就已經(jīng)落荒而逃了。

沒明白也不用氣餒，非物理學(xué)專業(yè)的童鞋，確實很難理解量子這個概念。敢于承認(rèn)自己不懂，也是很了不起的。

不管怎么樣，大家就先記住一點——光子就是一種量子。后面我們會用到這句話。

Part.2 量子知識體系的分類

首先，我們先看一下量子信息的學(xué)科分類。

量子信息結(jié)合了量子力學(xué)和信息科學(xué)的知識，屬于兩者的交叉學(xué)科。

而量子信息又分為了量子計算和量子通信。大家經(jīng)常聽說的量子計算機，就屬于量子計算，和我們今天介紹的量子通信有很大的區(qū)別。

量子通信，分為“量子密鑰分發(fā)”和“量子隱形傳態(tài)”。它們的性質(zhì)和原理是完全不同的。

簡單來說，“量子密鑰分發(fā)”只是利用量子的不可克隆性，對信息進(jìn)行加密，屬于解決密鑰問題。而“量子隱形傳態(tài)”是利用量子的糾纏態(tài)，來傳輸量子比特。

接下來，我們分別介紹一下它們。

Part.3 量子密鑰分發(fā)

▋ 3.1 密鑰的重要性

首先，我們先來看看一次正常的傳統(tǒng)加密通信是怎么實現(xiàn)的：

步驟1：A先寫好明文。

步驟2：A通過加密算法和密鑰，對明文進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)運算，編制成密文。

步驟3：密文被傳遞給B。

步驟4：B通過解密算法（加密算法的逆運算）和密鑰，進(jìn)行相應(yīng)的“逆運算”，把密文翻譯還原成明文。

步驟5：B閱讀明文。

這種加密通信的關(guān)鍵要素，大家都看出來了，就是密鑰。

對于第三方來說，獲得密文非常容易——如果你用無線電傳輸密文，無線電是開放的，對方很容易截獲。如果你用有線介質(zhì)，通訊距離幾千公里，也很難保證每一處的安全。

以我們現(xiàn)在使用最多的光纖為例，它就很容易被竊取信息：

光纖彎曲竊聽示意圖

（通過彎曲光纖，外泄部分光信號，進(jìn)行竊聽）

所以，傳遞的信息，必須經(jīng)過加密，才能保證安全。而加密使用的密鑰，非常關(guān)鍵。

當(dāng)年二戰(zhàn)，就是因為美軍破解了日軍的密鑰，結(jié)果將山本五十六的座機擊落。英軍也是因為借助圖靈的幫助，破解了德軍的密鑰，最終獲得戰(zhàn)爭優(yōu)勢。

關(guān)于密鑰，最初人們使用的是密碼本，后來是密碼機，再后來就是RSA等加密算法。

加密算法出現(xiàn)時，因為人和機器的算力有限，所以破解一個算法很慢，難度很大，時間很長。

現(xiàn)在，有了計算機、超級計算機，算力越來越強大，破解算法的速度也越來越快——

RSA512算法在1999年就被破解；RSA768在2009年被破解；MD5和SHA-1兩大密算也已告破……

在這種情況下，沒有任何密鑰是絕對安全的。再復(fù)雜的算法，破解起來只是時間和資源的問題。

那么，究竟怎么樣才能實現(xiàn)真正的絕對安全？

信息論創(chuàng)始人，通信科學(xué)的鼻祖，偉大的克勞德·香農(nóng)先生，總結(jié)提出了“無條件安全”的條件：

密鑰真隨機且“只使用一次”

與明文等長且按位進(jìn)行二進(jìn)制異或操作

這樣的方法，理論上是不可破譯的，香農(nóng)對它進(jìn)行了嚴(yán)格的理論證明。

但它也有缺點，就是需要大量的密鑰，而密鑰的更新和分配存在漏洞（存在被竊聽的可能性）！

所以，不解決密鑰分發(fā)的問題，就不可能實現(xiàn)無條件安全。這也導(dǎo)致了在香農(nóng)發(fā)布了這一成果之后，根本沒有人能夠使用這種方式。

而量子密鑰分發(fā)，就是為了解決這個問題！

▋ 3.2 量子密鑰分發(fā)的工作原理

注意，前方高能預(yù)警！請務(wù)必跟上小編的思路！

1984年，IBM公司的研究人員Bennett和蒙特利爾大學(xué)的學(xué)者Brassard在印度召開的一個國際學(xué)術(shù)會議上提交了一篇論文《量子密碼學(xué)：公鑰分發(fā)和拋幣》（Quantum cryptography:Public key distribution and coin tossing）。

他們提出了BB84協(xié)議。該協(xié)議把密碼以密鑰的形式分配給信息的收發(fā)雙方，因此也稱作“量子密鑰分發(fā)”。

具體的原理如下：

因為光子有兩個偏振方向，而且相互垂直。

所以，單光子源每次生成的單個光子，可以是這樣：

我們可以簡單選取“水平垂直”或“對角”的測量方式（我們稱之為測量基），對單光子源產(chǎn)生的單光子進(jìn)行測量。

當(dāng)測量基和光子偏振方向一致，就可以得出結(jié)果（要么是1，要么是0）；

當(dāng)測量基和光子偏振方向偏45°，就不能得出準(zhǔn)確的結(jié)果。

光子就會變化，偏振方向改變45°，那么就是1或0的概率各50%。

所以，兩種測量基，對不同偏振方向光子的測量結(jié)果歸納如下：

好了，原理就是這樣。

生成一組二進(jìn)制密鑰的過程如下：

（注意！下面所說的過程，都是為了生成密鑰，不是在發(fā)送信息報文本身?。?/p>

發(fā)送方（我們先稱為A），首先隨機生成一組二進(jìn)制比特（所謂的經(jīng)典比特，0或1這種）。

例如：

A對每1個比特，隨機選擇測量基。

例如：

所以，發(fā)送的偏振光子分別是（見下圖中虛框）：

接收方（我們先稱為B），收到這些光子之后，隨機選擇測量基進(jìn)行測量：

例如依次選擇以下測量基：

那么，測量結(jié)果如下（見虛線框內(nèi)）：

A和B通過傳統(tǒng)方式（例如電話或QQ，不在乎被竊聽），對比雙方的測量基。測量基相同的，該數(shù)據(jù)保留。測量基不同的，該數(shù)據(jù)拋棄。

保留下來的數(shù)據(jù)，就是最終的密鑰。（下圖中，1001就是密鑰）

如果，存在一個竊取者（我們稱為C）。

如果C只竊聽A和B對比測量基，那C會得到這樣的信息：

不同不同相同相同不同不同相同相同

這個對他來說，沒有任何意義。

C只能去測量A到B的光子。

注意！因為量子的不可克隆性，C沒有辦法復(fù)制光子。

C只能去搶在B之前進(jìn)行測量（劫聽）。

如果C測量，他也要隨機選擇自己的測量基。

那么，問題來了，如果C去測量剛才那一組光子，他有一半的概率和A選擇一樣的測量基（光子偏振方向無影響），還有一半的概率，會導(dǎo)致光子改變偏振方向（偏45°）。

如果光子的偏振方向改變，那么B的測量準(zhǔn)確率肯定受影響：

沒有C的情況下，A和B之間采用相同測量基的概率是50%。

所以，A和B之間拿出一小部分測量結(jié)果出來對比，有50%相同。

有C的情況下，A和C之間采用相同測量基的概率是50%。B和C之間采用相同測量基的概率是50%。

所以，A和B之間拿出一小部分測量結(jié)果出來對比，有25%相同。

由此，可以判定一定有人在竊聽。通信停止，當(dāng)前信息作廢。

對于單個比特來說，C有25%的概率不被發(fā)現(xiàn)，但是現(xiàn)實情況絕對不止1個比特，肯定是N個數(shù)量級的比特，所以，C不被發(fā)現(xiàn)的概率就是25%的N次方。

稍微懂點數(shù)學(xué)，就知道這個數(shù)值的恐怖：

25%的10次方：9.5367431640625e-7

25%的20次方：9.094947017729282379150390625e-13

……

也就是C不被發(fā)展的概率極低極低。

能理解了嗎？希望你跟上了思路，如果邏輯思維能力OK，這個過程應(yīng)該是不難理解的。

總而言之，量子密鑰分發(fā)（其實叫量子密鑰協(xié)商，更為準(zhǔn)確），使通訊雙方可以生成一串絕對保密的量子密鑰，用該密鑰給任何二進(jìn)制信息加密，都會使加密后的二進(jìn)制信息無法被解密，因此從根本上保證了傳輸信息過程的安全性。

▋ 量子密鑰分發(fā)的爭議

其實，如果稍加思考，就會發(fā)現(xiàn)這種密鑰分發(fā)方式存在一個問題，那就是——

這個方式只能發(fā)現(xiàn)竊聽者，不能保證通信的穩(wěn)定性！

你想，如果竊聽者不停地竊聽，怎么辦？A和B雖然可以隨時察覺被竊聽，但是他們所能做的，就是停止通信啊。如果通信停止了，那通信的目的就達(dá)不到了啊。

所以，業(yè)內(nèi)對量子通信的爭議，很大一部分就在于此：

“如果竊聽者消失了，那么任何密碼技術(shù)都是多余的?！?/p>

反對者的邏輯是：

如果烏龜躲在烏龜殼里面，它一伸出頭，鳥就啄它，那么它只能縮回去，它再伸，鳥再啄，它就永遠(yuǎn)沒機會吃東西，只能餓死。

支持者的邏輯是：

通信的保密性要大于消息的穩(wěn)定性。如果確認(rèn)不安全，那寧可不傳。

如果我和你說話，我發(fā)現(xiàn)有人偷聽，那我就不說。但是，正常情況下，我們不可能坐以待斃，我們肯定會派人去抓出竊聽者（量子通信里，根據(jù)計算，很容易找到竊聽點）。

對方不可能明知道會被抓，還堅持竊聽，再多的竊聽者也不夠抓的。

“通信密鑰分發(fā)”方式的量子通信，就是擁有隨時發(fā)現(xiàn)竊聽者的能力，給竊聽者以震懾，以此保衛(wèi)自己的通信安全。

如果真的是對方魚死網(wǎng)破，全力阻止你通信，那么不僅是量子通信，任何通信模式都是無力抵御的（針對無線通信的信號干擾和壓制、針對有線通信進(jìn)行轟炸和破壞）。

世界上最可怕的，就是你的通信被竊聽了，而你自己卻不知道。

難道不是嗎？

Part.4 量子隱形傳態(tài)

接下來，我們來說說量子通信的另外一種方式——“量子隱形傳態(tài)”。

如果說，量子密鑰分發(fā)只是量子力學(xué)應(yīng)用于經(jīng)典通信的一個小應(yīng)用（加了把量子鎖），那量子隱形傳態(tài)，就是“真正”的量子通信了。

解釋量子隱形傳態(tài)之前，我們必須先解釋兩個重要概念——“量子比特”和“量子糾纏”。

▋ 量子比特

我們目前進(jìn)行信息存儲和通信，使用的是經(jīng)典比特。

一個經(jīng)典比特在特定時刻只有特定的狀態(tài)，要么0，要么1，所有的計算都按照經(jīng)典的物理學(xué)規(guī)律進(jìn)行。

但量子比特和經(jīng)典比特不同。

量子信息扎根于量子物理學(xué)，一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態(tài)。

相比于一個經(jīng)典比特只有0和1兩個值，一個量子比特的值有無限個。直觀來看就是把0和1當(dāng)成兩個向量，一個量子比特可以是0和1這兩個向量的所有可能的組合。

表示量子比特的Bloch球

Bloch球的球面，代表了一個量子比特所有可能的取值。

但是需要指出的是：一個量子比特只含有零個經(jīng)典比特的信息。

因為一個經(jīng)典比特是0或1，即兩個向量。而一個量子比特只是一個向量（0和1的向量合成）。就好比一個經(jīng)典比特只能取0，或者只能取1，它的信息量是零個經(jīng)典比特。

▋ 量子糾纏

量子力學(xué)中最神秘的就是疊加態(tài)，而“量子糾纏”正是多粒子的一種疊加態(tài)。

一對具有量子糾纏態(tài)的粒子，即使相隔極遠(yuǎn)，當(dāng)其中一個狀態(tài)改變時，另一個狀態(tài)也會即刻發(fā)生相應(yīng)改變。

例如，糾纏態(tài)中有一種，無論兩個粒子相隔多遠(yuǎn)，只要沒有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時，B粒子一定處于1態(tài)；反之，當(dāng)A粒子處于1態(tài)時，B粒子一定處于0態(tài)。

是不是想到了蟲洞？

這種跨越空間的、瞬間影響雙方的“量子糾纏”，曾經(jīng)被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”（spooky actionat a distance）。

愛因斯坦以此來質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性，因為這個超距作用違反了他提出的“定域性”原理，即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速。這就是著名的“EPR佯謬”。

后來，物理學(xué)家玻姆在愛因斯坦的“定域性”原理基礎(chǔ)上，提出了“隱變量理論”來解釋這種超距相互作用。

不久物理學(xué)家貝爾提出了一個不等式，可以來判定量子力學(xué)和隱變量理論誰正確。如果實驗結(jié)果符合貝爾不等式，則隱變量理論勝出。如果實驗結(jié)果違反了貝爾不等式，則量子力學(xué)勝出。

但是后來一次次實驗結(jié)果都違反了貝爾不等式，即都證實了量子力學(xué)是對的，而隱變量理論是錯的。

2015年，荷蘭物理學(xué)家做的最新的無漏洞貝爾不等式測量實驗，基本宣告了愛因斯坦定域性原理的死刑。

▋ 量子隱形傳態(tài)

理解了量子糾纏，我們就可以理解“量子隱形傳態(tài)”了。

由于量子糾纏是非局域的，即兩個糾纏的粒子無論相距多遠(yuǎn)，測量其中一個的狀態(tài)必然能同時獲得另一個粒子的狀態(tài)，這個“信息”的獲取是不受光速限制的。于是，物理學(xué)家自然想到了是否能把這種跨越空間的糾纏態(tài)用來進(jìn)行信息傳輸。

因此，基于量子糾纏態(tài)的量子通訊便應(yīng)運而生，這種利用量子糾纏態(tài)的量子通訊就是“量子隱形傳態(tài)”（quantumteleportation）。

量子隱形傳態(tài)的過程（即傳輸協(xié)議）一般分如下幾步：

（1）制備一個糾纏粒子對。將粒子1發(fā)射到A點，粒子2發(fā)送至B點。

（2）在A點，另一個粒子3攜帶一個想要傳輸?shù)牧孔颖忍豎。于是A點的粒子1和B點的粒子2對于粒子3一起會形成一個總的態(tài)。在A點同時測量粒子1和粒子3，得到一個測量結(jié)果。這個測量會使粒子1和粒子2的糾纏態(tài)坍縮掉，但同時粒子1和和粒子3卻糾纏到了一起。

（3）A點的一方利用經(jīng)典信道（就是經(jīng)典通訊方式，如電話或短信等）把自己的測量結(jié)果告訴B點一方。

（4）B點的一方收到A點的測量結(jié)果后，就知道了B點的粒子2處于哪個態(tài)。只要對粒子2稍做一個簡單的操作，它就會變成粒子3在測量前的狀態(tài)。也就是粒子3攜帶的量子比特?zé)o損地從A點傳輸?shù)搅薆點，而粒子3本身只留在A點，并沒有到B點。

以上就是通過量子糾纏實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的方法，即通過量子糾纏把一個量子比特?zé)o損地從一個地點傳到另一個地點，這也是量子通訊目前最主要的方式。

需要注意的是，由于步驟3是經(jīng)典信息傳輸而且不可忽略，因此它限制了整個量子隱形傳態(tài)的速度，使得量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速度無法超過光速。

因為量子計算需要直接處理量子比特，于是“量子隱形傳態(tài)”這種直接傳的量子比特傳輸將成為未來量子計算之間的量子通信方式，未來量子隱形傳態(tài)和量子計算機終端可以構(gòu)成純粹的量子信息傳輸和處理系統(tǒng)，即量子互聯(lián)網(wǎng)。

這也將是未來量子信息時代最顯著的標(biāo)志。

注：上述過程描述文字直接引用了互聯(lián)網(wǎng)文章《獨家揭秘：量子通信如何做到“絕對安全”？》 （張文卓 中國科學(xué)院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院）

Part.5 量子通信的發(fā)展

好了，以上就是關(guān)于量子通信的理論知識。

接下來，我們來說說量子通信在行業(yè)中的發(fā)展情況。

近年來，量子通信技術(shù)取得了長足的進(jìn)展，也引發(fā)了巨大的爭議。

先看看發(fā)展：

1993年，首次提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。

1997年，首次實現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。

2012年，首次成功實現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。

2016年8月16日，世界第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射。

2017年7月13日，世界首個大型商用量子通信專網(wǎng)在濟南測試成功。

2017年，全球首條量子通信“京滬干線”建成。

……

可以說，量子通信的發(fā)展速度非常之快。

從城域到城際，從陸地到衛(wèi)星，量子通信的實驗和落地在不斷取得進(jìn)展。

提到量子通信，肯定不可避免會提到一個人，他就是中國科學(xué)院院士潘建偉。

潘院士長期從事量子光學(xué)、量子信息和量子力學(xué)基礎(chǔ)問題檢驗等方面的研究，對量子通信等研究有創(chuàng)新性貢獻(xiàn)，是該領(lǐng)域的國際著名學(xué)者。

他有關(guān)實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的研究成果入選美國《科學(xué)》雜志“年度十大科技進(jìn)展”，并同倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論等影響世界的重大研究成果一起被《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。

正因為他，中國量子通信研究處于世界領(lǐng)先的地位。他個人和團隊也因此收獲了大量的榮譽。

但是，量子理論目前仍然是一個充滿爭議的理論，量子通信的意義和價值也一直受到某些人的質(zhì)疑。量子通信產(chǎn)業(yè)過度追捧，資金大量涌入，相關(guān)企業(yè)市值暴漲，市場表現(xiàn)得空前浮躁。潘建偉本人也一直備受爭議。有人說他騙取研究經(jīng)費，也有人說他名不副實。

其實，小編覺得，這個世界真的能懂這個技術(shù)的人本身就不多。正因為不懂，所以人們要么盲目相信、押寶，要么質(zhì)疑、謾罵。有些人只是眼紅或嫉妒，不懂裝懂，大潑臟水。很多人其實就是跟著起哄，并不是真的關(guān)心這項技術(shù)。

在科學(xué)研究的歷史長河中，沒有誰是一定對的，也沒有誰是一定錯的。不管對和錯，都應(yīng)該用論文和實驗來證明，而非謾罵和誹謗。

量子理論如果是錯的，那也許會帶來認(rèn)知的更大突破。如果是對的，那就意味著計算技術(shù)和通信技術(shù)的全新革命。不管怎么樣，研究它，探索它，都是一件有意義的工作。

時間，終歸會告訴我們最終的答案。

審核編輯 ：李倩