注：這篇文章是我在量子估算課程中交的大作業（雖然老師想讓我們寫學術性文章的，我寫的內容不是很符合要求，整篇沒有一個公式，注重科普介紹，也確實是很認真的去寫的）。
本文嘗試對量子通訊以及量子隱型傳輸技術進行科普介紹，力求淺顯易懂。因為個人水平有限，如有不當或錯誤之處，望批評見諒。
量子（）
量子是現代數學的重要概念。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的，只能取能量基本單位的整數倍。后來的研究表明，不但能量表現出這些不連續的分離化性質，其他數學量例如角動量、自旋、電荷等也都表現出這些不連續的量子化現象。
一個數學量假如存在最小的不可分割的基本單位，則這個數學量是量子化的，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“相當數目的某物質”。在數學學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
現有的通訊技術一般借助電磁波等進行傳輸，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，可以被轉換成，接收方通過相反的方法還原即可。其實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，發送方和接收方須要曉得加密、解密的規則，因而正常通訊。不曉得揭秘規則的第三方在傳輸過程中獲取了加密信息，也難以對其進行還原。簡單的，可以把這些加揭秘規則理解為通訊的秘鑰。秘鑰需通過安全的方法進行傳輸，讓發送方和接收方共同曉得，并確保不會被無關人員獲取，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，只須要保證收發雙方的秘鑰是對應的就可以正常通訊了。所以秘鑰既可以是發送方發給接收方，也可以反過來，還可以是安全可靠的第三方將秘鑰同時發送給收發雙方。
私鑰加密技術
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：兩個很大的質數，可以用計算機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數，對于現代計算機來說卻很困難（但不是不可能，而是須要很長的時間去運算，比如幾百年）。
接收方通過算法隨機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，將其發給發送方，甚至可以將其完全公開。發送方通過私鑰將信息加密后發給接收者，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，向發送方發送了它的私鑰，不知情的發送方將信息發送給冒名頂替者，都會導致信息泄漏。為了辨別是否為真實的接收方，要求接收方生成一套私鑰和公鑰，通過公鑰形成一個數字簽名，并將私鑰通過證書發送給發送方，發送方用私鑰揭秘數字簽名，即可驗證接收方（只有持有公鑰的接收方能夠形成正確的數字簽名）。
量子態與量子糾纏
電子做穩恒的運動，具有完全確定的能量，這些穩恒的運動狀態稱為量子態。
假定有兩個粒子（比如光子或原子）組成糾纏態系統。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，但是二者的旋轉方向一直相反；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AB相對運動直至離得很遠時，對A進行檢測，A會立即由量子疊加態坍縮為確定態，表現出左旋或右旋狀態的一種。而此時，距此很遠的B粒子也會立即坍縮成確定態。而且經過無數次的實驗，AB仍然表現出相反的旋轉狀態（一個左旋，另一個右旋）。雖然兩個粒子距離很遠，但它們狀態的改變是完全同時的，即便是光速也達不到那么快。這就是量子糾纏。
中科大量子信息實驗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州伐蜀，諸葛亮出襄陽，劉備出徐州拒敵，諸葛亮抵達西安，遠遠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遠隔千里，卻也能第一時間曉得劉備遇見的是誰。
化學學理論的本質
至于為何會有量子糾纏這些匪夷所思的性質呢？這一點顯然很難解釋。
當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。但數學理論的本質并非真理，而是客觀規律，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，有三天我們發覺當石頭拋出的速率很快時，石頭不再落地，而是繞月球旋轉，于是我們得出來新的推論。新的理論，在原有理論的基礎上，進行了補充和構建，這正是數學學的發展過程。
而昨天的社會，正是借助了好多這樣的科學規律，通過巧妙的工程方式，實現了各類奇跡。通過半導體元件的數學特點，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悍的計算機。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學特點，其實也能徹底改變世界。
量子通訊
廣義的量子通訊主要涉及：量子保密通訊、量子遠程傳態和量子密集編碼等。本文重點要討論的，正是上面兩種技術。
目前行內所說的量子通訊，指的是狹義的量子通訊技術，通常稱為量子保密通訊，或量子秘鑰分發（Key）。量子秘鑰分發要解決的問題，并非替代現有的通訊技術，而是為了解決通訊安全問題。
后面早已介紹了現有的私鑰加密手段，私鑰加密并非不可揭秘，而是現有計算機的估算能力無法破解。而計算機的性能不斷提升，非常是分布式估算和量子計算機的研發，可能造成現有的大量私鑰加密失效，導致很嚴重的后果。量子秘鑰分發則利用量子熱學的基本特點，去實現秘鑰的安全分發。
量子秘鑰分發可借助量子糾纏的特點去實現。發送方或接收方，通過一定的手段制備出兩個處于糾纏態的光子。將其中的一個，通過光纖發送至另一方，接收到后雙方對光子進行檢測。依照量子糾纏特點，兩個光子一個左旋一個右旋，這樣雙方就可以得到互補的二補碼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，由于只須要雙方的秘鑰對應即可。在這個過程中，并沒有真正的實現一方將任意信息發送給另一方，但雙方得到了互相對應的秘鑰（這就是上面介紹秘鑰時所說的，第三方將秘鑰發送給收發雙方，這兒的第三方，其實可以想像成上帝吧）。另外因為是通過粒子作為傳輸載體的，也不能實現超光速通訊。
量子秘鑰分發的安全性
理論上來說，量子秘鑰分發能實現絕對的安全，數學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，分別是量子態不可克隆原理，和海森堡測不準原理。
不可克隆原理，說的是不能實現量子態的完美復制（不完美是可以的），也就是上面所說的粒子傳輸過程中，難以完美復制它的量子態。說的形象一點，A和B兩個糾纏態粒子，A一會兒左旋一會兒右旋，而B和A一直保持狀態完全相反。未能實現讓粒子C的運動狀態保持一直和B一樣，也就是不能完美復制。
測不準原理，是說對量子態進行檢測，很有可能改變它的狀態。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，第三方不能復制它的量子態，也不能對它進行檢測。一旦進行檢測，接收方收到的狀態才會有很大變化，因而得悉有第三方進行了檢測，于是這個秘鑰不安全。
而在實際當中，因為工程技術緣由，目前還無法保證絕對的安全，可能存在一些方式對此進行破解，須要進一步構建。
量子隱型傳態（）
量子隱型傳態，又稱量子隱型傳輸、量子遠距傳輸等。借助量子糾纏，將甲地的某一粒子的未知量子態，頓時轉移給乙地的另一個粒子。仿佛經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。
2012年8月，中國科學家潘建偉等人在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱型傳態和糾纏分發。
量子隔空傳物的可能性
在好多懸疑連續劇諸如《星際迷航》中，常見到未來的高科技，通過某種技術將人或飛船從一個地方頓時轉移到另一個地方，十分神奇。好多人似乎期盼這些技術的發明，但能夠實現呢？
物質是由基本粒子構成。一些人覺得，對于物體來說，信息是其構成的根本，而原子等粒子本身并不重要。也就是說通過轉移量子態，等價于轉移物體自身。于是物體的轉移弄成了通訊問題。這是目前量子隔空傳輸物體技術實現的基礎。
維基百科中“量子隱型傳態”詞條強調，量子遙傳與通常所說的頓時聯通沒有關系，量子遙傳未能傳遞系統本身，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物。“我們對世界的了解依然不夠透徹。”一位研究者說。“科學家們如今還不曉得應當怎樣通過隱型傳輸的形式傳送實物，我們以前以為世界上最小的是原子，但是后來發覺原先上面還有質子和中子。但是，沒有人曉得質子和中子是否能夠被繼續分拆。更即便想要傳送一個生命體，又該怎么處理他復雜的腦電活動呢？”
中科大研究員彭承志說：“目前我們實現的僅僅是單光子量子態的隱型傳輸，在未來有可能實現復雜量子系統的量子態隱型傳輸，但距離宏觀物體的量子態隱型傳輸還具有特別遙遠的距離。”
從現有的研究來說，目前只能實現在光子、原子等微粒之間轉移量子態，且距離有限，而量子隔空傳物并沒有實驗可以支持。理論上，也沒有證據能支持這些技術實現的可能。并且科技的發展總是讓人無法置信的，畢竟之后真的會實現。
量子傳輸的懸疑
量子隱型傳輸，轉移粒子的狀態，轉移的是信息而不是物質，類似于計算機中轉移硬碟文件。文件是虛擬具象的東西，其本質是信息，而c盤是其載體。通過對化學c盤進行磁化，保存文件信息。而文件可以通過網路等方法，從一個地方轉移到另一個地方，c盤本身并沒有轉移。
一方面，計算機中可以通過通訊系統轉移文件信息；另一方面，直接通過化學方法運輸存有數據的c盤等儲存設備，可以實現特別高速的文件轉移。反過來考慮，物體的轉移，是否可以不通過化學方法進行呢？假如物質的本質是信息，粒子只是信息的載體，這么通過量子實現隔空傳物都會有可能。
假如量子傳輸技術有了初步實現，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進行轉移？與此有點像的一個問題是，假如對c盤進行量子轉移，能夠保留其上的磁性因而實現文件數據的轉移？對磁性的本質，我們的理解還是不夠清楚。
從某種程度上來說，“隔空傳物”的技術早已初步實現了，3D復印就是。諸如一個塑膠制品，只須要將其轉化為3D模型并通過網路將其傳輸到另一處，就可以通過3D復印機還原出外觀與之基本一致的物體。3D復印的一個特征是，物體可以復制好多份。而量子傳輸能夠做到這一點呢？其實量子態不可克隆原理會造成量子傳輸只能轉移物體，而不能復制物體；也似乎未來的科技能突破這些限制。
假如量子傳輸技術實現而且成熟應用，世界會發生巨大的變化。快件業可能不再存在，或發生顛覆性的變化；交通運輸也可能完全轉變方式。好多人認為雖然這些技術出現，也不敢嘗試去傳輸自己。認為經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假如真的能實現而且挺好的建立，達到十分小的出錯可能性，推廣并為大眾接受只是時間問題。由于它與現有的交通方法相比，優勢很顯著。而現有的交通方法會繼續存在量子通訊儲存，但其主要功能不再是交通，而是發展成類似旅游和體驗的方式了。
參考資料
《計算機科學總論》第11版（人民郵電出版社）（第四章關于信息加密的介紹）
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-知乎
量子糾纏為何能傳遞密碼信息-知乎
科學網《彌天大謊：實現量子隱型傳輸》
百度文庫《糾纏光子的制備和應用》
維基百科詞條：凱撒密碼，量子密碼學，量子隱型傳態
百度百科詞條：RSA算法，量子，量子態，量子糾纏，量子傳輸，量子通訊，量子隱型傳態