神奇的量子傳輸技術

方馨民

2016年8月，中國發射了一顆名為“墨子號”的衛星，引起國際轟動。有評論認為，中國憑借這顆衛星，不出15年將成為新一代通信的技術霸主。大家關注“墨子號”，因為它是世界上第一顆事關通信安全的量子衛星。下面我們就圍繞量子衛星談談神奇的量子傳輸技術。

密碼鑰匙

大家都喜歡看諜戰片吧？科技含量高的諜戰片通常有破解通信密碼的情節。破解通信密碼需要獲得密碼鑰匙。

這里說的密碼鑰匙就是信息的加密方式，因為它和咱們開門用的鑰匙有相似功能，所以被稱為密碼鑰匙，簡稱密鑰。打個比方，甲想向乙傳輸“123”這段信息，先按照將每個數字都加3的方式向乙傳輸“456”，“123”就叫明文，“456”就叫密文，而每個數字都加3就是密碼鑰匙。發送者可用密碼鑰匙加密信息，接收者可用它來解密。

如果第三方沒有密碼鑰匙，又想獲得明文信息，就需要間諜活動了。間諜獲得密碼鑰匙的方法很多，有時靠騙，可以從甲或乙那兒騙來密碼鑰匙；有時靠買，間諜向甲或乙許以報酬，收買密碼鑰匙有時也能成功；有時還靠偷。

無論騙還是偷，都屬于人工方法，獲得密碼鑰匙的效率比較低。現在間諜都愿意用計算機通過計算來獲取密碼鑰匙，就是利用計算機的超強功能，尋找密文信息的變化規律，其中的規律就是加密方式。有了計算機這種機器助手來幫助間諜破解密碼，間諜們很囂張地宣稱：沒有破解不了的密碼鑰匙，破解密碼鑰匙只是個時間問題！

利用計算機破解密碼終究會成功，所以說信息安全只是某一段時間內的相對安全，而不是永久的安全。那么，有沒有永遠不會被解密的通信方式呢？有呀，它就是量子通信。

科學探索

公元前405年，雅典和斯巴達發生了戰爭。斯巴達軍隊捕獲了一名雅典送信人，從他身上除了搜出一條布滿雜亂無章的字母的腰帶之外，別無所獲。情報究竟藏在什么地方呢？斯巴達軍隊統帥萊桑德無意中把腰帶呈螺旋形纏繞在手中的劍鞘上時，奇跡出現了，原來腰帶上那些雜亂無章的字母，竟組成了一段表意清楚的文字，密碼得以破解！腰帶情報，就是世界上最早的密碼情報，具體運用方法是，通信雙方首先約定密碼解讀規則，然后通信一方將腰帶纏繞在約定長度和粗細的木棍上書寫？收信一方接到后，如不把腰帶纏繞在同樣長度和粗細的木棍上，就只能看到一些毫無規則的字母。

趣味鏈接

有人通過破解密碼顯示才能，有人通過設計密碼顯示才能。1977年，數學家李維斯特給出了一個129位數，要求把這個數分解成兩個質數的乘積，得到這個結果，就會發現隱藏的信息。其實這個129位數就是密文，分解質因數就是密碼鑰匙。李維斯特信心滿滿地宣稱，算出他的密碼鑰匙，需要好多億年。誰知17年之后，600名密碼破解愛好者動用了1600臺計算機，只用了6個月的時間就把李維斯特的密碼給破解了，獲得的信息是“挑食的禿鷹”。密碼雖然被破解了，但人們還是很佩服李維斯特：他太厲害了，得600人聯手，用1600臺計算機，花了6個月才打敗他！

量子通信是什么

傳統的通信方式都需要介質，比如寫信你得用信紙，打電話的信號得靠電磁波來傳輸。竊密者通常會侵入介質獲得通信信息，在掌握了密文信息后，再通過計算獲取密碼鑰匙，將密文破解成明文。凡是通過介質傳送信息，必定無密可言，這種破解密碼的方式通常被稱為“截獲”。

量子通信是不需要傳輸介質的，這是為什么呢？

科學家在1900年發現了量子這種微粒，進一步發現了量子糾纏現象。量子糾纏是這樣的：一對量子甲和乙，甲攜帶的信息，可以瞬間在乙身上體現出來！不架天線，不鋪電纜，信息可以在量子之間無形無影地傳輸，這事跟神話中的心靈感應似乎是一個套路呀！

是的，量子通信可以看作是神奇的心理感應術，信息的傳輸端和接收端之間不用連接實線，也不需要電磁波，信息來去很神奇。量子糾纏現象曾經被愛因斯坦淺顯地描述為：兩個物體之間，無論距離多遠，都存在相互感應信息的天然魔力。

量子通信非常神奇，且非常安全，這又是為什么呢？

量子通信的一個特點就是加密速度極快，它可以給數之不盡的每一個信息片段加一個獨立的密碼鑰匙。舉個例子來說，如果把一次通話分割成100億個信息片段來傳輸，則量子通信可以瞬間給這100億個信息片段各加各的密碼鑰匙，這種加密方式被形象地稱為“一次一密”。你可以想象，在通信過程中，信息源源不斷，加密碼鑰匙源源不斷，千變萬化，間諜要破解這么多的密碼鑰匙，簡直是比登天還難。一次一密帶來了天量密碼鑰匙，讓密碼間諜從此失去飯碗！

有人或許會說，讓計算機出場幫著計算嘛！

這主意不錯，不過告訴你吧，現在的計算機雖然有超強的計算能力，但是它們面對無窮無盡的量子通信密碼也是束手無策，算不盡呀！如果硬要一臺計算機來破解量子通信密碼，從理論上說也是可以的，但時間卻需要數億年，甚至是無限久。呵呵，計算機破解量子通信密碼，時間是無限久，其實就是破解不了的意思呀！誰等密碼能等上數億年呢？

還有，量子通信不是不需要傳輸介質嘛，所以，間諜想在半路上截獲信息的想法也破滅。

有人或許又要問了：你在半路上截不到信息，不會直接從傳送端和接收端的量子上獲取信息嗎？

嗯，這想法似乎不錯，但做法也行不通呀，因為量子還有一個特點：只要有人干擾它，想從它身上獲得信息，它立馬就改變原來的信息狀態，把真實信息提前毀掉，讓間諜一無所獲。量子這種干擾即毀信息的特點，封死了間諜想從信息發送端和接收端獲取信息的想法。如果有的間諜“不知趣”，非得要到量子那兒獲取信息，那么信息接收方和信息發送方就可以從量子自毀信息的頻率，判斷是不是有人正在搞竊密，讓間諜行為立馬現形。這么說來，身負通信使命的量子，還是通信警察呀，只要間諜一來，它立即報警，讓間諜無處遁形。

哎，在量子通信時代，間諜要么選擇遠離量子通信網絡，要么掩耳盜鈴卻被人捉，間諜成了超高危無成果的職業，沒有人能做得來了。

量子通信先靠一次一密的加密方式，把間諜淹沒在密碼鑰匙的汪洋大海里，還會用自毀信息的方式報警，讓仍舊執迷于截獲信息的間諜無處藏身，基于這兩點，量子通信就成了絕對安全的通訊方式。

科學探索

世界是運動的，但是宏觀世界的運動規律和微觀世界的運動規律并不相同。牛頓提出的物理學說解答了宏觀世界的運動規律，但牛頓的學說一拿到微觀世界來解答微觀世界的運動規律就會“失效”。這種失效促使科學家努力尋找微觀世界的運動規律，于是量子力學就產生了，量子力學是一門年輕的科學，它總共才有一百來年的歷史。

英國有所謂的物理學家提出，人的靈魂是由大腦中的量子物質形成的，當人死亡之后，大腦微管中的量子信息會離開身體進入到宇宙，如果能阻止這些量子向宇宙中散失，就可以阻止人的死亡，如果能把散失在宇宙中的大腦量子收回來，人就能死而復生。量子科學有這么玄乎嗎？人可以不死，可以死而復生，這類“量子理論”誰敢信呀！

為什么發射量子衛星

既然量子之間可以傳輸無限加密的第三者不可破解的信息，那就在地球上建設量子通信網絡就行了，為什么還要發射量子衛星呢？

這得從目前量子信息傳輸的距離來解釋這個問題。

甲量子向乙量子傳送信息，理論上它們之間心靈感應的距離可以無限遠，無論間隔多遠，信息都能由甲傳輸給乙的。但事實上，量子在自由環境里（即地球表面環境），能量會衰減，衰減雖然不影響信息傳遞，但影響我們人類對信息的辨別，你想想，甲雖然最終把信息傳遞給了乙，但信號太弱，弱到目前我們無法辨識，不也是無用嘛。

量子之間信息傳輸距離是無限的，多遠都能傳到。但量子之間保持信息可辨認的傳輸距離卻是有限的，太遠了，它們之間有“對話”，但咱們卻“聽”不清楚了。

1977年，科學家利用量子傳送信息，結果只讓信息傳送了數米遠的距離。這個距離雖然很近，但是驗證了量子傳輸信息的可能性。

隨后，量子通信在“能”的基礎上，不斷進步，傳輸距離從最初的數米，發展到了可以傳輸16千米了：2010年6月6日，中國量子通信實驗小組將信息傳輸了16千米的距離，創造了當時量子通信的新記錄。

量子通信可傳輸16千米，但仍舊不能滿足實用要求。于是在16千米的基礎上，科學家們繼續努力，要讓量子通信的距離越來越遠，可這個期望后來“破滅”了，因為科學家發現在自由環境中，量子通信距離存在一個極限，大約是100千米。100千米的傳輸距離雖然具有實用價值，但是要建設量子通信網絡，需要在地面上每隔100千米建設一個傳輸基站。眾多基站，會降低量子通訊的效率和安全性，因為信號需要不斷在明文和密文之間多次轉換接力，每個基站容易成為信息安全漏洞，所以大量建設基站支持量子通信的方案被認為不可行。

基站方案被否決之后，科學家就把建設量子通信網絡的厚望寄托于量子通信衛星身上。量子衛星可以把量子信息傳輸的距離擴大到數千千米，三顆量子衛星就能滿足在全球建立信號優良、安全無憂的量子信息通信網絡，讓信息高速安全地直達任意地方，所以說發射量子衛星是量子通信網絡建設的關鍵節點，誰擁有了量子衛星傳輸技術，誰就掌握了全球量子通信網絡建設的主動權。

中國發射的“墨子號”，是全世界發射的第一顆量子通信衛星，標志著中國將成為量子通信界的老大，在以后量子通信網絡建設進程中，中國的話語權和支配權都將是至高無上的。別的國家見咱們有了量子衛星，都急紅眼了！

全球首顆量子科學實驗衛星為什么命名為“墨子號”。墨子是我國古代偉大的科學家，被稱為“科圣”。他最早提出光線沿直線傳播的理論，設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。用中國古代偉大科學家的名字命名量子衛星，為的是提升我們的文化自信。

主持建造“墨子號”的潘建偉教授是我國量子科學的領頭人，1996年他到奧地利求學量子科學，導師問他的夢想是什么，他說要在中國建世界一流的量子物理實驗室。僅過了一年，他就與同事合作發表論文，宣布在實驗中實現了量子態隱形傳輸，這被公認為量子信息實驗領域的開山之作，《科學》雜志將其列為年度全球十大科技進展。這一年，潘建偉僅27歲。后來，潘建偉回國開展量子科學研究，結果理解這門科學的人太少，什么隱形傳輸，什么大變活人的，他的研究項目被稱為偽科學，本人則被誤解為騙子。今天這個“騙子”終于可以向所有人說：看，一切都是真的！

量子傳輸的不僅僅是信息

目前這個階段，中國發射的量子衛星，主要擔負安全傳輸信息的實驗任務。將來，量子衛星的任務不僅僅是傳輸信息，很有可能還會傳輸人。

什么？傳輸人！

是的，就是傳輸人。

前面我們說過，量子是微粒。可以把物體理解成是由量子組成的，也就是說物體可以分解成一個一個的量子，量子不但可以瞬間傳輸信息，而且可以瞬間傳輸量子。如果用量子傳輸信息，就叫量子通信。如果用量子傳輸量子，那么傳輸人就成為一種可能，這在魔術里叫大變活人吧。

我們用量子傳輸量子，就可以將魔術變成真實的科技項目。科學家在用量子傳輸信息的基礎上，還開始研究如何把量子傳輸信息變成量子傳輸實物，這項研究被稱為隱形傳輸。

隱形傳輸技術在科幻電影《星際旅行》中有體現：宇航員在特殊裝置中平靜地說一句：“發送我吧，蘇格蘭人！”他瞬間就被轉移到外星球了。將來，量子機器很可能把科幻電影中的神奇情景變成現實，依靠量子傳輸實物的功能將我們發射到想去的星球上去。

盡管想要達到“發送我吧”這樣的結果，我們還得等上一些年頭，但量子隱形傳輸技術，終將帶我們走進不可思議的量子傳輸情景中，很可能讓我們瞬間到達我們想到達的任意地方。量子傳輸或許將是星際旅行的終極大法——因為，身體是由量子組成的，量子能夠被瞬間傳輸，所以我們的身體，我們的生命也就可能被瞬間傳輸。

天呀，原來大變活人不只是魔術！

科學探索

量子有兩個基本原理：第一個是量子糾纏，類似孫悟空和他的分身，二者無論距離多遠都心有靈犀。當兩個微觀粒子處于糾纏狀態時，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應改變，這個原理可用來傳輸信息。第二個是量子疊加，就是指一個量子系統可以以不同形態在不同的位置出現，比如組成一只貓的量子系統，可以在A地表現出貓已死的狀態，又可以同時在B地呈現貓活著的狀態——這死而復生的原理，也是大變活人的依據。

量子大腦就是當今正在研制中的量子計算機。量子計算機的“算法”與人腦的運行方式有許多相似之處，甚至有些地方完全相同。因此量子計算機將會是與人腦非常接近或是完美一致的人工智能機器。有了量子計算機之后，機器與生物之間的界限將變得非常模糊，你的朋友如果是個量子機器人，那絕對是稀松平常的事。到時候機器人犯罪也會與真人一樣要被收監判罪！

（編輯 孫世奇）