量子通信還有多遠

自1900年馬克斯·普朗克提出量子理論至今，已經過去了100多年，科學家們卻依舊沒能徹底弄清楚，量子糾纏這個“鬼魅”般的物理現象，到底有著怎樣的作用機制。

盡管如此，在量子糾纏現象被證實之后，量子計算、量子密碼、量子通信甚至是瞬間移動等科幻般的技術應用，已被一一提出。

所有這些暢想中，量子通信被公認為離人類最近的一項應用。由于量子糾纏現象的不確定性特性，這項未來的通信技術因具有“無懈可擊”的安全性而備受青睞。

從最開始的實驗室理論，到上百公里的量子數據傳輸試驗，再到如今中國橫跨京滬上千公里的城際量子通信網絡項目，科學家們關于全球廣域量子通信網絡的設想已經越來越近。

“現在，技術上我們只差最后一步”，中科院院士、中國科技大學教授潘建偉說，利用衛星把城域和城際量子通信網絡連接起來。”

“鬼魅”量子糾纏

追溯量子通信的起源，就必須先了解它的理論基礎——量子糾纏。

因為至今科學家們也還沒有分析透徹這種物理現象是“怎么產生的”，要科學而完整地解釋量子糾纏，短期內或許仍是一個無解之題。

好在科學家們已經基本搞清楚，量子糾纏“會發生什么”。如果從這個層面來看，那么它可以被描述為這樣一種現象：兩個共同來源的微觀粒子之間，只要處于糾纏狀態，那么只要一個粒子的量子（微觀物理世界的光子等最小單元）狀態發生變化，就會立即影響另一個粒子的狀態。

這種現象就好比人類世界中的孿生兒，彼此之間存在心靈感應。而且“詭異”的是，無論它們相隔多遠，即使一個在太陽系另一個在幾十萬光年以外的星系，只要處于糾纏態，這種感應就會存在。

這種現象觸及了經典物理學的靈魂，在經典物理學中，物質之間總是要通過某種相互作用才能發生聯系的，就好比你不可能通過一根沒有魚線的魚竿，隔空釣起一只魚。

更有意思的，如果以制造硬幣為例，我們如果要制造硬幣，基本前提是需要測定制作硬幣的模板，再根據模板進行大規模復制。但在量子世界，這枚硬幣是“不確定”的，你根本沒法測量它，一測它，它下一秒就會發生變化，根本沒法復制。

再見“棱鏡門”

盡管至今還沒有更好的解釋，但量子糾纏的這種“不確定性”，正是量子通信得到重視的基礎。

如果這種特性應用在通信技術上，就是天然的保密通信手段。

傳統的通信技術比如電話、互聯網絡，都需要通過有線或者無線的終端傳輸信息，他人要竊聽你們的交流，只要復制整個對話過程就可以了，即使這段對話被加密了，只要連密碼也一起復制，再解密為正常通話即可。

想象一下，一旦通信中的信息和密碼用量子來承載，情況會發生什么變化？

由于量子糾纏的“不確定性”，只要有人在途中打算復制竊聽信息，一“碰”它的狀態就改變了，竊聽者拿到的只會是一堆毫無用處的信息。而且只要狀態一改變，信息的合法接收人員就能立刻知道它被人動過手腳。

除了“不確定性”，量子通信所具有的另一特性是量子糾纏的“超距離作用”，轉換到量子通信上來，即量子通信的“隱形傳輸”特性。

由于量子糾纏無視距離，即使完全被隔離的兩個粒子，同樣存在“心靈感應”。所以將這種特性運用到量子通信上，就使得兩點的通信過程能在一瞬間同時完成，從根本上杜絕了被竊聽被截獲的可能。

如果擁有這種理論上幾乎絕對保密的通信技術，人們就可以和“棱鏡門”之類的竊聽計劃說再見了。

后來居上的中國隊

量子通信的概念最早由美國科學家貝內特于1993年提出，在貝內特之后，6位來自不同國家的科學家，基于量子糾纏理論，又提出了利用經典物理學與量子物理學相結合的方法實現量子隱形傳輸的方案。

這套最初的基本方案認為，可以將某個粒子的未知量子態傳輸到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原處。

由于可以與現有的通信技術相疊加，這套方案成了之后量子通信的基礎方案，在隨后的20年時間里，各國科學家和研究團隊針對量子隱形傳輸開展了激烈的競賽，最長傳輸距離的記錄一次又一次被打破。

值得一提的是，在這個新興的競爭領域，中國雖然屬于后來者，但研究進展卻出人意料地后來居上，達到世界先進水平。

比如作為國內量子通信領域的領軍人物，潘建偉的科研團隊2014年啟動了量子通信京滬干線的建設。

這個城際量子通信網絡總長2000多公里，連接北京和上海兩地，建成后將用于確保京滬兩地金融信息的安全傳輸。

城域和城際量子通信網絡的應用并不是潘建偉的終極目標，在他看來，利用衛星將城域和城際網絡連接起來，建設一個全球量子通信網絡，才能真正體現出量子通信技術的意義。

為了這個目標，潘建偉已經準備了很多年。早在2005年，潘建偉的科研團隊在世界上首次實現了13公里的自由空間量子通信試驗，證實了星-地量子通信的可能性；2012年，他們又實現了世界上首次百公里級別自由空間量子隱形傳輸，為發射全球首顆量子通信衛星奠定了技術基礎。

據介紹，2016年，中國將先于歐美發射量子科學實驗衛星，使得中國成為第一個具有量子通信能力的國家。

盡管后續從實驗到真正的產業化大規模應用，還需要經過大量的技術驗證和成本核算，但在潘建偉看來，只要做到量子衛星升空，中國就已經領先全球一大步。