量子通信：知我者唯你

張文卓

1876年，貝爾發明了電話，從此人類可以利用導體中的電流來傳輸信息。1966年，華人物理學家高錕發明了光纖，隨后激光光纖通信逐漸取代電流，成為了人類目前主要的有線通信手段。

英國著名物理學家麥克斯韋在1865年整合了前人的電磁學定律，提出了名垂史冊的麥克斯韋方程組，并據此方程組預言了電磁波的存在。1887年，德國物理學家赫茲在實驗中發現了電磁波。在隨后的10年里，意大利的馬可尼、俄羅斯的波波夫和美國的特斯拉各自實現了電磁波的通信。馬可尼的團隊更是勇敢地將電磁波發射上天空，實現了橫跨大西洋的電磁波通信。今天電磁波成為了人類最主要的無線通信手段。

1947年，伴隨著美國物理學家肖克萊、巴丁、布拉頓發明了半導體晶體管，人類可以使用微小的半導體來處理信息。10年后，德州儀器公司的基爾比和英特爾公司的創始人諾伊斯（肖克萊在硅谷成立公司時招募的第一批員工）在此基礎上制造出了集成電路，成為當代各種計算機和電子設備的核心。晶體管和集成電路的問世，標志著人類全面進入了信息時代。肖克萊和諾伊斯也順理成章地成為硅谷之父，正是他們的發明讓我們今天能用上各種各樣的計算機和數碼產品。

但是這次信息革命是屬于“經典信息”的革命，即信息傳輸和信息處理都符合經典物理學定律。即使我們必須用量子力學才能理解半導體和激光的本質和工作原理，我們用半導體器件所處理的還是經典的二進制信息（即0和1，叫做經典比特）。同樣，無論我們用有線的光纖或導線，還是用無線的手機信號或Wi-Fi，我們傳輸的也都是經典信息。

隨著“量子信息科學技術”的誕生，第二次信息革命在向我們招手，這將是一次完全屬于“量子信息”的革命，信息傳輸和計算都將直接基于量子物理學。“量子通信”作為排頭兵，走在了這次信息革命的最前面，成為本輪信息革命的第一個突破點。

量子通信按照所傳輸的比特類型，可分為“量子密鑰”和“量子態傳輸”兩個方向。其中“量子密鑰”使用量子態不可克隆的特性來產生二進制密碼，可為經典比特建立牢不可破的量子保密通信。目前量子保密通信已經步入產業化階段。而“量子隱形傳態”則是利用量子糾纏來直接傳輸量子比特，將應用于未來量子計算之間的直接通信。

天機不可泄漏的

量子密鑰

自人類使用語言以來，密鑰技術就隨著人類對通信保密程度的需求而不斷發展。密鑰的作用是用來對傳輸的信息進行加密，防止他人獲取信息內容。在古埃及和古希臘時期，人們通過改變字母的順序對明文進行加密，隨后又發明了字母替換的加密方法，這種方法從古羅馬一直延續到中世紀和文藝復興時期。我國古代也有類似的信息加密方法，例如姜太公發明的“陰符”和“陽符”，就是利用敵方看不懂的暗語來傳遞我方的軍事信息。

隨著科技革命的出現，加密方式進入了全新的階段。摩爾斯電碼的發明，使得人們可以將每個字母都編碼在4個“嘀”和“嗒”的不同組合上面，通過電報或電磁波來發送信息。

但即使到了這個時期，人類采用的加密方式都是固定的，密鑰都是事先約定好的，只要敵方拿到“密鑰本”，就能輕易破解加密的內容。

伴隨著科技革命的進一步發展，自動生成密鑰的機器逐漸出現，這其中以德國發明的英尼格瑪機（Enigma）最為著名。這種機器通過幾個旋鈕位置可以自動設置密鑰，加密后的情報需要同樣的英尼格瑪機的旋鈕旋轉到同樣位置才能解密出原文，這就相當于密鑰被直接隱藏在了機器里面。

由于英尼格瑪機難以破解，它對德國在第二次世界大戰初期的一系列軍事勝利都起到了至關重要的作用。反過來說，盟軍能否破解英尼格瑪機又將直接影響戰爭走向。英國數學家、“計算機之父”阿蘭·圖靈對破解英尼格瑪機做出了非常突出的貢獻。他通過機器破解機器的方式，大幅提高了對英尼格瑪機的破解效率。他的方法不但為盟軍贏得了第二次世界大戰提供了巨大幫助，而且也啟發他發明了現代計算機。

到了如今的信息時代，計算機處理的信息都采用二進制編碼，密鑰的形式也自然從字母變為了二進制。隨著互聯網的大規模普及，信息傳遞達到了前所未有的數量和頻率，人類對保密通信的需求也達到了前所未有的高度。

公開密鑰加密

今天保護我們互聯網信息安全的加密方式被稱為“公開密鑰”方式，即通過加密算法，生成網絡上傳播的公開密鑰，以及留在計算機內部的私人密鑰，兩個密鑰必需配合使用才能實現完整的加密和解密過程。目前互聯網使用的加密標準是20世紀70年代誕生的RSA算法，即利用大數的質因子分解難以計算的特性來保證密鑰的安全性。

但是隨著計算能力的不斷提升，RSA算法的安全性也受到了挑戰。2009年，RSA-768已經被破解。破解目前廣泛采用的RSA-1024也只是時間問題。

“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”。1984年，美國物理學家本內特和加拿大密碼學家布拉薩提出了基于量子力學測量原理的“量子密鑰分配”協議，即BB84協議。該協議利用光子的不可分割和不可克隆的特性，從根本上保證了密鑰的安全。

如果我們把一個個光子比作一枚枚硬幣，那么光子的偏振方向就好比硬幣的偏轉角度。量子密鑰的安全性就直接來自這些偏轉角度。BB84協議如同選取了 “↑”、“→”、“↗”、“↘”四個偏轉角度來分別對應二進制編碼。密鑰分配時，發送端和接收端都隨機用“”和“×”兩種洞來讓“硬幣”通過。扔一個“硬幣”，雙方就通過經典信道（比如打電話）來對比一下所選的洞，留下雙方的洞一致時扔的“硬幣”結果，就生成了二進制量子密鑰。

圖靈和他的破解機

如果中間有人竊聽，他只能隨機的選擇“”和“×”兩種洞。當他測過“硬幣”角度后，如果他不想被發現，就需要把“硬幣”再扔給接收方。但是這個“硬幣”已經被他測量過了，會有一半的概率改變了角度。于是接收方再測時，就會發現“硬幣”的測量結果和發送方有1/4概率的不同，就可以馬上知道有竊聽者的存在了。于是，發送方和接收方就可以停止密鑰分發，非常方便地換個地方重新來過，直到確認沒有竊聽為止。

因此，只要是成功分配的量子密鑰，就一定是沒有被竊聽過的安全密鑰。量子密鑰分配真正做到了“天不知地不知，只有你知我知”。

經過物理學家多年的理論和實驗改進，以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術已經逐漸完成了實用化，并形成了一定的產業規模。在地面光纖網絡建設上，世界上第一條量子保密通信主干線路“京滬干線”已經建成，它大幅提高了我國在國防和金融領域的信息安全。

為了實現更遠距離的量子保密通信，我國除了需要繼續建設覆蓋地面的光纖網絡外，還需要借助天上的飛行器，實現全球范圍的量子密鑰分配。2016年8月，我國發射的“墨子號”量子科學實驗衛星，其中一個重要任務就是在國際上首次實現衛星和地面之間的量子密鑰分配。“墨子號”的軌道高度為500多千米，飛行速度約8千米/秒。地面站的望遠鏡接收口徑約1米，用來生成量子密鑰的一個個光子需要精準地打在地面站的望遠鏡上。這樣的精準程度就如同在一輛全速行駛的高鐵上，把一枚枚硬幣準確地扔到10千米以外的一個固定的礦泉水瓶里，非常具有挑戰性。

鬼魅般的

量子態傳輸

如果你能擁有一項超能力，你會選擇什么？相信“瞬間移動”會是不少人兒時的夢想。這種超能力在物理學上并非完全不可能。如果我們能知道構成物體的每一個粒子的狀態，然后在目的地用同樣的粒子完全復制，就可以得到一模一樣的物體。

量子力學中最核心、也是最神秘的概念就是疊加態，而“量子糾纏”正是多粒子的一種疊加態。以雙粒子為例，一個粒子A可以處于某個物理量的疊加態，這可以用一個量子比特來表示，同時另一個粒子B也可以處于疊加態。當2個粒子發生糾纏，就會形成1個雙粒子的疊加態，即糾纏態。例如，有一種糾纏態就是無論2個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處于0態時，B粒子就一定處于1態;反之，當A粒子處于1態時，B粒子就一定處于0態。

這種跨越空間的瞬間影響雙方的量子糾纏，曾經被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”，并以此來質疑量子力學的完備性，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，物理學家們依據愛因斯坦的定域性原理提出了“隱變量理論”來解釋這種超距作用。

很快物理學家貝爾提出了一個不等式，可以用來判定量子力學和隱變量理論究竟哪個正確。如果實驗結果符合貝爾不等式，則隱變量理論勝出;如果實驗結果違反了貝爾不等式，則量子力學勝出。但是，后來一次次的實驗結果都違反了貝爾不等式，即都證實了量子力學是對的，量子糾纏是非定域的，而隱變量理論是錯的，愛因斯坦的定域性原理必須被舍棄。2015年，荷蘭物理學家所進行的最新的無漏洞貝爾不等式測量實驗，基本宣判了定域性原理的死刑。

隨著量子信息學的誕生，量子糾纏已經不僅僅是一項基礎研究，它已經成為量子信息科技的核心，例如利用量子糾纏可以完成量子通信中的量子隱形傳態。

雖然借用了科幻小說中“隱形傳態”這個詞語，但量子隱形傳態實際上和科幻的關系并不大。它是通過跨越空間的量子糾纏來實現對量子比特的傳輸。

量子隱形傳態的過程一般分為如下4步：

1.制備一個糾纏粒子對，分別將粒子1發送到A點，粒子2發送至B點。

2.在A點有另一個粒子3，攜帶一個想要傳輸的量子比特Q。于是A點的粒子1、B點的粒子2、A點的粒子3一起會形成一個總的態。在A點同時測量粒子1和粒子3，得到一個測量結果。這個測量會使粒子1和粒子2的糾纏態解除，但同時粒子1和粒子3卻糾纏到了一起。

3.A點的發送方利用經典信道把自己的測量結果告訴B點接收方。

4.B點的接收方收到A點的測量結果后，就知道了B點的粒子2處于哪個狀態。只要對粒子2稍做一個基本的量子力學操作，它就會準確地變成粒子3在測量前的狀態。也就是說，粒子3攜帶的量子比特無損地從A點傳輸到了B點，而粒子3本身只留在A點，并沒有發送到B點，但原來的量子態消失了。

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

“墨子號”量子科學實驗衛星的另一個主要任務就是要在國際上首次實現星地之間的量子糾纏分發，用來檢驗貝爾不等式，同時還要利用該糾纏實現星地量子隱形傳態。

未來的量子計算機需要直接處理量子比特，于是“量子隱形傳態”這種直接的量子比特傳輸將成為未來量子計算之間數據的傳輸方式。由于量子比特本身不可任意復制且不可分割，它自身就帶有保密性質。因此，量子隱形傳態將和量子計算機一起構成未來的全量子互聯網。