注：這篇文章是我在量子估算課程中交的大作業(yè)（雖然老師想讓我們寫學(xué)術(shù)性文章的，我寫的內(nèi)容不是很符合要求，整篇沒有一個公式，注重科普介紹，也確實(shí)是很認(rèn)真的去寫的）。
本文嘗試對量子通訊以及量子隱型傳輸技術(shù)進(jìn)行科普介紹，力求淺顯易懂。因?yàn)閭€人水平有限，如有不當(dāng)或錯誤之處，望批評見諒。
量子（）
量子是現(xiàn)代數(shù)學(xué)的重要概念。最早是M·普朗克在1900年提出的。他假定宋體幅射中的幅射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍。后來的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這些不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他數(shù)學(xué)量例如角動量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這些不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。
一個數(shù)學(xué)量假如存在最小的不可分割的基本單位，則這個數(shù)學(xué)量是量子化的，并把最小單位稱為量子。量子中文名稱量子一詞來自拉丁語，意為“有多少”，代表“相當(dāng)數(shù)目的某物質(zhì)”。在數(shù)學(xué)學(xué)中常用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體。諸如，“光的量子”（光子）是光的單位。
通訊加密技術(shù)
現(xiàn)有的通訊技術(shù)一般借助電磁波等進(jìn)行傳輸，為了確保信息傳輸安全，不被第三方中途攔截獲取量子通訊儲存，須要采用加密的方式。加密的形式有好多，比如一種最原始的形式凱撒密碼，將每位英語字母用它在字母表中前面第n個字母取代，比如n取1，可以被轉(zhuǎn)換成，接收方通過相反的方法還原即可。其實(shí)這些原始的加密方法很容易被破解。
在這個加密通訊過程中，發(fā)送方和接收方須要曉得加密、解密的規(guī)則，因而正常通訊。不曉得揭秘規(guī)則的第三方在傳輸過程中獲取了加密信息，也難以對其進(jìn)行還原。簡單的，可以把這些加揭秘規(guī)則理解為通訊的秘鑰。秘鑰需通過安全的方法進(jìn)行傳輸，讓發(fā)送方和接收方共同曉得，并確保不會被無關(guān)人員獲取，須確保絕對安全，否則加密就失效了；而且秘鑰自身不能被加密，否則又須要曉得加密秘鑰所用的秘鑰了。而這些安全可靠的傳輸很難得到保證。
注意，只須要保證收發(fā)雙方的秘鑰是對應(yīng)的就可以正常通訊了。所以秘鑰既可以是發(fā)送方發(fā)給接收方，也可以反過來，還可以是安全可靠的第三方將秘鑰同時發(fā)送給收發(fā)雙方。
私鑰加密技術(shù)
后面的凱撒密碼，曉得了加密方式，揭秘方式自然也就得到了。而目前廣泛使用的私鑰加密系統(tǒng)中，雖然曉得了加密方式，也難以曉得揭秘方式。RSA是一種常用的私鑰加密算法，基于下邊的簡單圖論事實(shí)：兩個很大的質(zhì)數(shù)，可以用計算機(jī)很輕松的得到它們的乘積；并且反過來，想把這個乘積重新分解成兩個大質(zhì)數(shù)，對于現(xiàn)代計算機(jī)來說卻很困難（但不是不可能，而是須要很長的時間去運(yùn)算，比如幾百年）。
接收方通過算法隨機(jī)生成一套私鑰和公鑰，公鑰用于揭秘，接收方自己保留；私鑰用于加密，將其發(fā)給發(fā)送方，甚至可以將其完全公開。發(fā)送方通過私鑰將信息加密后發(fā)給接收者，接收方再通過公鑰揭秘即可。第三方雖然獲取了私鑰，也不能破解加密的信息。
私鑰加密還有一種正好相反的用法。在前面的事例中，假如有個接收方的冒名頂替者，向發(fā)送方發(fā)送了它的私鑰，不知情的發(fā)送方將信息發(fā)送給冒名頂替者，都會導(dǎo)致信息泄漏。為了辨別是否為真實(shí)的接收方，要求接收方生成一套私鑰和公鑰，通過公鑰形成一個數(shù)字簽名，并將私鑰通過證書發(fā)送給發(fā)送方，發(fā)送方用私鑰揭秘數(shù)字簽名，即可驗(yàn)證接收方（只有持有公鑰的接收方能夠形成正確的數(shù)字簽名）。
量子態(tài)與量子糾纏
電子做穩(wěn)恒的運(yùn)動，具有完全確定的能量，這些穩(wěn)恒的運(yùn)動狀態(tài)稱為量子態(tài)。
假定有兩個粒子（比如光子或原子）組成糾纏態(tài)系統(tǒng)。兩個粒子A和B都處于一半左旋一半右旋的量子疊加狀態(tài)，但是二者的旋轉(zhuǎn)方向一直相反；但在用儀器檢測之前并不曉得某個時刻誰是左旋，誰是右旋。
當(dāng)AB相對運(yùn)動直至離得很遠(yuǎn)時，對A進(jìn)行檢測，A會立即由量子疊加態(tài)坍縮為確定態(tài)，表現(xiàn)出左旋或右旋狀態(tài)的一種。而此時，距此很遠(yuǎn)的B粒子也會立即坍縮成確定態(tài)。而且經(jīng)過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，AB仍然表現(xiàn)出相反的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)（一個左旋，另一個右旋）。雖然兩個粒子距離很遠(yuǎn)，但它們狀態(tài)的改變是完全同時的，即便是光速也達(dá)不到那么快。這就是量子糾纏。
中科大量子信息實(shí)驗(yàn)室的郭光燦教授曾用比喻解釋這個問題，說在韓國的母親生下兒子那剎那間，遠(yuǎn)在中國的父親就弄成了爺爺，雖然她自己還不曉得。
知乎上還有網(wǎng)友說了個形象的故事來解釋這個問題。三國時期某年，曹操令司馬懿、張遼掛帥兵分兩路于漢中和揚(yáng)州伐蜀，諸葛亮出襄陽，劉備出徐州拒敵，諸葛亮抵達(dá)西安，遠(yuǎn)遠(yuǎn)見敵軍大將乃是張遼，心里暗道不好，主公怎的遇上了司馬懿？諸葛亮為何看到了張遼就曉得劉備遇見的是司馬懿？由于攻打的只有張遼和司馬懿，假如諸葛亮遇見了司馬懿，這么劉備都會碰到張遼，假如諸葛亮遇見了張遼，劉備都會碰到司馬懿。這就是諸葛亮和劉備其實(shí)遠(yuǎn)隔千里，卻也能第一時間曉得劉備遇見的是誰。
化學(xué)學(xué)理論的本質(zhì)
至于為何會有量子糾纏這些匪夷所思的性質(zhì)呢？這一點(diǎn)顯然很難解釋。
當(dāng)我們把石頭從地面平拋一億次，每次就會落地，于是我們得出一條推論，石頭拋出去會落地。但數(shù)學(xué)理論的本質(zhì)并非真理，而是客觀規(guī)律，我們并不能保證下一次平拋石頭就會落地。沒有絕對正確的理論，有三天我們發(fā)覺當(dāng)石頭拋出的速率很快時，石頭不再落地，而是繞月球旋轉(zhuǎn)，于是我們得出來新的推論。新的理論，在原有理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了補(bǔ)充和構(gòu)建，這正是數(shù)學(xué)學(xué)的發(fā)展過程。
而昨天的社會，正是借助了好多這樣的科學(xué)規(guī)律，通過巧妙的工程方式，實(shí)現(xiàn)了各類奇跡。通過半導(dǎo)體元件的數(shù)學(xué)特點(diǎn)，我們制造出基本的邏輯門電路，并借助各類手段，最終制造出了功能強(qiáng)悍的計算機(jī)。而這在古人看來，是不可思議的。同樣的道理，借助量子糾纏等很基本的數(shù)學(xué)特點(diǎn)，其實(shí)也能徹底改變世界。
量子通訊
廣義的量子通訊主要涉及：量子保密通訊、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。本文重點(diǎn)要討論的，正是上面兩種技術(shù)。
目前行內(nèi)所說的量子通訊，指的是狹義的量子通訊技術(shù)，通常稱為量子保密通訊，或量子秘鑰分發(fā)（Key）。量子秘鑰分發(fā)要解決的問題，并非替代現(xiàn)有的通訊技術(shù)，而是為了解決通訊安全問題。
后面早已介紹了現(xiàn)有的私鑰加密手段，私鑰加密并非不可揭秘，而是現(xiàn)有計算機(jī)的估算能力無法破解。而計算機(jī)的性能不斷提升，非常是分布式估算和量子計算機(jī)的研發(fā)，可能造成現(xiàn)有的大量私鑰加密失效，導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果。量子秘鑰分發(fā)則利用量子熱學(xué)的基本特點(diǎn)，去實(shí)現(xiàn)秘鑰的安全分發(fā)。
量子秘鑰分發(fā)可借助量子糾纏的特點(diǎn)去實(shí)現(xiàn)。發(fā)送方或接收方，通過一定的手段制備出兩個處于糾纏態(tài)的光子。將其中的一個，通過光纖發(fā)送至另一方，接收到后雙方對光子進(jìn)行檢測。依照量子糾纏特點(diǎn)，兩個光子一個左旋一個右旋，這樣雙方就可以得到互補(bǔ)的二補(bǔ)碼0和1。至于哪一方得到0哪一方得到1并不影響秘鑰分發(fā)，由于只須要雙方的秘鑰對應(yīng)即可。在這個過程中，并沒有真正的實(shí)現(xiàn)一方將任意信息發(fā)送給另一方，但雙方得到了互相對應(yīng)的秘鑰（這就是上面介紹秘鑰時所說的，第三方將秘鑰發(fā)送給收發(fā)雙方，這兒的第三方，其實(shí)可以想像成上帝吧）。另外因?yàn)槭峭ㄟ^粒子作為傳輸載體的，也不能實(shí)現(xiàn)超光速通訊。
量子秘鑰分發(fā)的安全性
理論上來說，量子秘鑰分發(fā)能實(shí)現(xiàn)絕對的安全，數(shù)學(xué)原理決定了第三方不能獲取到秘鑰。這主要基于兩個重要原理，分別是量子態(tài)不可克隆原理，和海森堡測不準(zhǔn)原理。
不可克隆原理，說的是不能實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的完美復(fù)制（不完美是可以的），也就是上面所說的粒子傳輸過程中，難以完美復(fù)制它的量子態(tài)。說的形象一點(diǎn)，A和B兩個糾纏態(tài)粒子，A一會兒左旋一會兒右旋，而B和A一直保持狀態(tài)完全相反。未能實(shí)現(xiàn)讓粒子C的運(yùn)動狀態(tài)保持一直和B一樣，也就是不能完美復(fù)制。
測不準(zhǔn)原理，是說對量子態(tài)進(jìn)行檢測，很有可能改變它的狀態(tài)。諸如原先是左旋，可能測完就弄成了右旋。
于是在粒子傳輸過程中，第三方不能復(fù)制它的量子態(tài)，也不能對它進(jìn)行檢測。一旦進(jìn)行檢測，接收方收到的狀態(tài)才會有很大變化，因而得悉有第三方進(jìn)行了檢測，于是這個秘鑰不安全。
而在實(shí)際當(dāng)中，因?yàn)楣こ碳夹g(shù)緣由，目前還無法保證絕對的安全，可能存在一些方式對此進(jìn)行破解，須要進(jìn)一步構(gòu)建。
量子隱型傳態(tài)（）
量子隱型傳態(tài)，又稱量子隱型傳輸、量子遠(yuǎn)距傳輸?shù)取＝柚孔蛹m纏，將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)，頓時轉(zhuǎn)移給乙地的另一個粒子。仿佛經(jīng)歷了懸疑小說中描寫的“超時空傳輸”，在一個地方神秘地消失，不依賴任何載體，又在另一個地方神秘地出現(xiàn)。
2012年8月，中國科學(xué)家潘建偉等人在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱型傳態(tài)和糾纏分發(fā)。
量子隔空傳物的可能性
在好多懸疑連續(xù)劇諸如《星際迷航》中，常見到未來的高科技，通過某種技術(shù)將人或飛船從一個地方頓時轉(zhuǎn)移到另一個地方，十分神奇。好多人似乎期盼這些技術(shù)的發(fā)明，但能夠?qū)崿F(xiàn)呢？
物質(zhì)是由基本粒子構(gòu)成。一些人覺得，對于物體來說，信息是其構(gòu)成的根本，而原子等粒子本身并不重要。也就是說通過轉(zhuǎn)移量子態(tài)，等價于轉(zhuǎn)移物體自身。于是物體的轉(zhuǎn)移弄成了通訊問題。這是目前量子隔空傳輸物體技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。
維基百科中“量子隱型傳態(tài)”詞條強(qiáng)調(diào)，量子遙傳與通常所說的頓時聯(lián)通沒有關(guān)系，量子遙傳未能傳遞系統(tǒng)本身，也難以拿來安排分子以在另一端組成物體。
才能傳遞一組信息并不意味著早已可以傳遞實(shí)物。“我們對世界的了解依然不夠透徹。”一位研究者說。“科學(xué)家們?nèi)缃襁€不曉得應(yīng)當(dāng)怎樣通過隱型傳輸?shù)男问絺魉蛯?shí)物，我們以前以為世界上最小的是原子，但是后來發(fā)覺原先上面還有質(zhì)子和中子。但是，沒有人曉得質(zhì)子和中子是否能夠被繼續(xù)分拆。更即便想要傳送一個生命體，又該怎么處理他復(fù)雜的腦電活動呢？”
中科大研究員彭承志說：“目前我們實(shí)現(xiàn)的僅僅是單光子量子態(tài)的隱型傳輸，在未來有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜量子系統(tǒng)的量子態(tài)隱型傳輸，但距離宏觀物體的量子態(tài)隱型傳輸還具有特別遙遠(yuǎn)的距離。”
從現(xiàn)有的研究來說，目前只能實(shí)現(xiàn)在光子、原子等微粒之間轉(zhuǎn)移量子態(tài)，且距離有限，而量子隔空傳物并沒有實(shí)驗(yàn)可以支持。理論上，也沒有證據(jù)能支持這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能。并且科技的發(fā)展總是讓人無法置信的，畢竟之后真的會實(shí)現(xiàn)。
量子傳輸?shù)膽乙?span style="display:none">h1L物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
量子隱型傳輸，轉(zhuǎn)移粒子的狀態(tài)，轉(zhuǎn)移的是信息而不是物質(zhì)，類似于計算機(jī)中轉(zhuǎn)移硬碟文件。文件是虛擬具象的東西，其本質(zhì)是信息，而c盤是其載體。通過對化學(xué)c盤進(jìn)行磁化，保存文件信息。而文件可以通過網(wǎng)路等方法，從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方，c盤本身并沒有轉(zhuǎn)移。
一方面，計算機(jī)中可以通過通訊系統(tǒng)轉(zhuǎn)移文件信息；另一方面，直接通過化學(xué)方法運(yùn)輸存有數(shù)據(jù)的c盤等儲存設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)特別高速的文件轉(zhuǎn)移。反過來考慮，物體的轉(zhuǎn)移，是否可以不通過化學(xué)方法進(jìn)行呢？假如物質(zhì)的本質(zhì)是信息，粒子只是信息的載體，這么通過量子實(shí)現(xiàn)隔空傳物都會有可能。
假如量子傳輸技術(shù)有了初步實(shí)現(xiàn)，能傳輸小的物體，是否有可能傳輸生命體呢？人的意識（或是靈魂），是否可以分解成粒子的量子態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)移？與此有點(diǎn)像的一個問題是，假如對c盤進(jìn)行量子轉(zhuǎn)移，能夠保留其上的磁性因而實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移？對磁性的本質(zhì)，我們的理解還是不夠清楚。
從某種程度上來說，“隔空傳物”的技術(shù)早已初步實(shí)現(xiàn)了，3D復(fù)印就是。諸如一個塑膠制品，只須要將其轉(zhuǎn)化為3D模型并通過網(wǎng)路將其傳輸?shù)搅硪惶帲涂梢酝ㄟ^3D復(fù)印機(jī)還原出外觀與之基本一致的物體。3D復(fù)印的一個特征是，物體可以復(fù)制好多份。而量子傳輸能夠做到這一點(diǎn)呢？其實(shí)量子態(tài)不可克隆原理會造成量子傳輸只能轉(zhuǎn)移物體，而不能復(fù)制物體；也似乎未來的科技能突破這些限制。
假如量子傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)而且成熟應(yīng)用，世界會發(fā)生巨大的變化。快件業(yè)可能不再存在，或發(fā)生顛覆性的變化；交通運(yùn)輸也可能完全轉(zhuǎn)變方式。好多人認(rèn)為雖然這些技術(shù)出現(xiàn)，也不敢嘗試去傳輸自己。認(rèn)為經(jīng)過這樣的傳輸自己就不是自己了，或是害怕傳輸出錯人就直接消失了。并且我感覺這種技術(shù)假如真的能實(shí)現(xiàn)而且挺好的建立，達(dá)到十分小的出錯可能性，推廣并為大眾接受只是時間問題。由于它與現(xiàn)有的交通方法相比，優(yōu)勢很顯著。而現(xiàn)有的交通方法會繼續(xù)存在量子通訊儲存，但其主要功能不再是交通，而是發(fā)展成類似旅游和體驗(yàn)的方式了。
參考資料
《計算機(jī)科學(xué)總論》第11版（人民郵電出版社）（第四章關(guān)于信息加密的介紹）
哪些是量子通訊-知乎
哪些是量子糾纏-知乎
淺顯的解釋量子化學(xué)-知乎
量子糾纏為何能傳遞密碼信息-知乎
科學(xué)網(wǎng)《彌天大謊：實(shí)現(xiàn)量子隱型傳輸》
百度文庫《糾纏光子的制備和應(yīng)用》
維基百科詞條：凱撒密碼，量子密碼學(xué)，量子隱型傳態(tài)
百度百科詞條：RSA算法，量子，量子態(tài)，量子糾纏，量子傳輸，量子通訊，量子隱型傳態(tài)