量子通信：知我者唯你

张文卓

1876年，贝尔发明了电话，从此人类可以利用导体中的电流来传输信息。1966年，华人物理学家高锟发明了光纤，随后激光光纤通信逐渐取代电流，成为了人类目前主要的有线通信手段。

英国著名物理学家麦克斯韦在1865年整合了前人的电磁学定律，提出了名垂史册的麦克斯韦方程组，并据此方程组预言了电磁波的存在。1887年，德国物理学家赫兹在实验中发现了电磁波。在随后的10年里，意大利的马可尼、俄罗斯的波波夫和美国的特斯拉各自实现了电磁波的通信。马可尼的团队更是勇敢地将电磁波发射上天空，实现了横跨大西洋的电磁波通信。今天电磁波成为了人类最主要的无线通信手段。

1947年，伴随着美国物理学家肖克莱、巴丁、布拉顿发明了半导体晶体管，人类可以使用微小的半导体来处理信息。10年后，德州仪器公司的基尔比和英特尔公司的创始人诺伊斯（肖克莱在硅谷成立公司时招募的第一批员工）在此基础上制造出了集成电路，成为当代各种计算机和电子设备的核心。晶体管和集成电路的问世，标志着人类全面进入了信息时代。肖克莱和诺伊斯也顺理成章地成为硅谷之父，正是他们的发明让我们今天能用上各种各样的计算机和数码产品。

但是这次信息革命是属于“经典信息”的革命，即信息传输和信息处理都符合经典物理学定律。即使我们必须用量子力学才能理解半导体和激光的本质和工作原理，我们用半导体器件所处理的还是经典的二进制信息（即0和1，叫做经典比特）。同样，无论我们用有线的光纤或导线，还是用无线的手机信号或Wi-Fi，我们传输的也都是经典信息。

随着“量子信息科学技术”的诞生，第二次信息革命在向我们招手，这将是一次完全属于“量子信息”的革命，信息传输和计算都将直接基于量子物理学。“量子通信”作为排头兵，走在了这次信息革命的最前面，成为本轮信息革命的第一个突破点。

量子通信按照所传输的比特类型，可分为“量子密钥”和“量子态传输”两个方向。其中“量子密钥”使用量子态不可克隆的特性来产生二进制密码，可为经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经步入产业化阶段。而“量子隐形传态”则是利用量子纠缠来直接传输量子比特，将应用于未来量子计算之间的直接通信。

天机不可泄漏的

量子密钥

自人类使用语言以来，密钥技术就随着人类对通信保密程度的需求而不断发展。密钥的作用是用来对传输的信息进行加密，防止他人获取信息内容。在古埃及和古希腊时期，人们通过改变字母的顺序对明文进行加密，随后又发明了字母替换的加密方法，这种方法从古罗马一直延续到中世纪和文艺复兴时期。我国古代也有类似的信息加密方法，例如姜太公发明的“阴符”和“阳符”，就是利用敌方看不懂的暗语来传递我方的军事信息。

随着科技革命的出现，加密方式进入了全新的阶段。摩尔斯电码的发明，使得人们可以将每个字母都编码在4个“嘀”和“嗒”的不同组合上面，通过电报或电磁波来发送信息。

但即使到了这个时期，人类采用的加密方式都是固定的，密钥都是事先约定好的，只要敌方拿到“密钥本”，就能轻易破解加密的内容。

伴随着科技革命的进一步发展，自动生成密钥的机器逐渐出现，这其中以德国发明的英尼格玛机（Enigma）最为著名。这种机器通过几个旋钮位置可以自动设置密钥，加密后的情报需要同样的英尼格玛机的旋钮旋转到同样位置才能解密出原文，这就相当于密钥被直接隐藏在了机器里面。

由于英尼格玛机难以破解，它对德国在第二次世界大战初期的一系列军事胜利都起到了至关重要的作用。反过来说，盟军能否破解英尼格玛机又将直接影响战争走向。英国数学家、“计算机之父”阿兰·图灵对破解英尼格玛机做出了非常突出的贡献。他通过机器破解机器的方式，大幅提高了对英尼格玛机的破解效率。他的方法不但为盟军赢得了第二次世界大战提供了巨大帮助，而且也启发他发明了现代计算机。

到了如今的信息时代，计算机处理的信息都采用二进制编码，密钥的形式也自然从字母变为了二进制。随着互联网的大规模普及，信息传递达到了前所未有的数量和频率，人类对保密通信的需求也达到了前所未有的高度。

公開密钥加密

今天保护我们互联网信息安全的加密方式被称为“公开密钥”方式，即通过加密算法，生成网络上传播的公开密钥，以及留在计算机内部的私人密钥，两个密钥必需配合使用才能实现完整的加密和解密过程。目前互联网使用的加密标准是20世纪70年代诞生的RSA算法，即利用大数的质因子分解难以计算的特性来保证密钥的安全性。

但是随着计算能力的不断提升，RSA算法的安全性也受到了挑战。2009年，RSA-768已经被破解。破解目前广泛采用的RSA-1024也只是时间问题。

“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。1984年，美国物理学家本内特和加拿大密码学家布拉萨提出了基于量子力学测量原理的“量子密钥分配”协议，即BB84协议。该协议利用光子的不可分割和不可克隆的特性，从根本上保证了密钥的安全。

如果我们把一个个光子比作一枚枚硬币，那么光子的偏振方向就好比硬币的偏转角度。量子密钥的安全性就直接来自这些偏转角度。BB84协议如同选取了 “↑”、“→”、“↗”、“↘”四个偏转角度来分别对应二进制编码。密钥分配时，发送端和接收端都随机用“”和“×”两种洞来让“硬币”通过。扔一个“硬币”，双方就通过经典信道（比如打电话）来对比一下所选的洞，留下双方的洞一致时扔的“硬币”结果，就生成了二进制量子密钥。

图灵和他的破解机

如果中间有人窃听，他只能随机的选择“”和“×”两种洞。当他测过“硬币”角度后，如果他不想被发现，就需要把“硬币”再扔给接收方。但是这个“硬币”已经被他测量过了，会有一半的概率改变了角度。于是接收方再测时，就会发现“硬币”的测量结果和发送方有1/4概率的不同，就可以马上知道有窃听者的存在了。于是，发送方和接收方就可以停止密钥分发，非常方便地换个地方重新来过，直到确认没有窃听为止。

因此，只要是成功分配的量子密钥，就一定是没有被窃听过的安全密钥。量子密钥分配真正做到了“天不知地不知，只有你知我知”。

经过物理学家多年的理论和实验改进，以“量子密钥分配”为核心的量子保密通信技术已经逐渐完成了实用化，并形成了一定的产业规模。在地面光纤网络建设上，世界上第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”已经建成，它大幅提高了我国在国防和金融领域的信息安全。

为了实现更远距离的量子保密通信，我国除了需要继续建设覆盖地面的光纤网络外，还需要借助天上的飞行器，实现全球范围的量子密钥分配。2016年8月，我国发射的“墨子号”量子科学实验卫星，其中一个重要任务就是在国际上首次实现卫星和地面之间的量子密钥分配。“墨子号”的轨道高度为500多千米，飞行速度约8千米/秒。地面站的望远镜接收口径约1米，用来生成量子密钥的一个个光子需要精准地打在地面站的望远镜上。这样的精准程度就如同在一辆全速行驶的高铁上，把一枚枚硬币准确地扔到10千米以外的一个固定的矿泉水瓶里，非常具有挑战性。

鬼魅般的

量子态传输

如果你能拥有一项超能力，你会选择什么？相信“瞬间移动”会是不少人儿时的梦想。这种超能力在物理学上并非完全不可能。如果我们能知道构成物体的每一个粒子的状态，然后在目的地用同样的粒子完全复制，就可以得到一模一样的物体。

量子力学中最核心、也是最神秘的概念就是叠加态，而“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，这可以用一个量子比特来表示，同时另一个粒子B也可以处于叠加态。当2个粒子发生纠缠，就会形成1个双粒子的叠加态，即纠缠态。例如，有一种纠缠态就是无论2个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子就一定处于1态;反之，当A粒子处于1态时，B粒子就一定处于0态。

这种跨越空间的瞬间影响双方的量子纠缠，曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”，并以此来质疑量子力学的完备性，因为这个超距作用违反了他提出的“定域性原理”，即任何空间上相互影响的速度都不能超过光速，这就是著名的“EPR佯谬”。后来，物理学家们依据爱因斯坦的定域性原理提出了“隐变量理论”来解释这种超距作用。

很快物理学家贝尔提出了一个不等式，可以用来判定量子力学和隐变量理论究竟哪个正确。如果实验结果符合贝尔不等式，则隐变量理论胜出;如果实验结果违反了贝尔不等式，则量子力学胜出。但是，后来一次次的实验结果都违反了贝尔不等式，即都证实了量子力学是对的，量子纠缠是非定域的，而隐变量理论是错的，爱因斯坦的定域性原理必须被舍弃。2015年，荷兰物理学家所进行的最新的无漏洞贝尔不等式测量实验，基本宣判了定域性原理的死刑。

随着量子信息学的诞生，量子纠缠已经不仅仅是一项基础研究，它已经成为量子信息科技的核心，例如利用量子纠缠可以完成量子通信中的量子隐形传态。

虽然借用了科幻小说中“隐形传态”这个词语，但量子隐形传态实际上和科幻的关系并不大。它是通过跨越空间的量子纠缠来实现对量子比特的传输。

量子隐形传态的过程一般分为如下4步：

1.制备一个纠缠粒子对，分别将粒子1发送到A点，粒子2发送至B点。

2.在A点有另一个粒子3，携带一个想要传输的量子比特Q。于是A点的粒子1、B点的粒子2、A点的粒子3一起会形成一个总的态。在A点同时测量粒子1和粒子3，得到一个测量结果。这个测量会使粒子1和粒子2的纠缠态解除，但同时粒子1和粒子3却纠缠到了一起。

3.A点的发送方利用经典信道把自己的测量结果告诉B点接收方。

4.B点的接收方收到A点的测量结果后，就知道了B点的粒子2处于哪个状态。只要对粒子2稍做一个基本的量子力学操作，它就会准确地变成粒子3在测量前的状态。也就是说，粒子3携带的量子比特无损地从A点传输到了B点，而粒子3本身只留在A点，并没有发送到B点，但原来的量子态消失了。

需要注意的是，由于步驟3是经典信息传输且不可忽略，因此它限制了整个量子隐形传态的速度，使得量子隐形传态的信息传输速度无法超过光速。

“墨子号”量子科学实验卫星的另一个主要任务就是要在国际上首次实现星地之间的量子纠缠分发，用来检验贝尔不等式，同时还要利用该纠缠实现星地量子隐形传态。

未来的量子计算机需要直接处理量子比特，于是“量子隐形传态”这种直接的量子比特传输将成为未来量子计算之间数据的传输方式。由于量子比特本身不可任意复制且不可分割，它自身就带有保密性质。因此，量子隐形传态将和量子计算机一起构成未来的全量子互联网。