今天，小編要和你們聊的是“量子通信”。
最開始計劃寫這個專題的時侯，小編的內(nèi)心是很郁悶的。
“量子通信”這個專題，解析難度真心有點大......
它涉及到量子論、信息論這樣的燒腦理論，還關(guān)聯(lián)了密碼學(xué)、編碼學(xué)等一堆看著都要繞著走的復(fù)雜學(xué)科。
很多概念，光是看名子，都讓人瑟瑟發(fā)抖——
想要把這種知識都解釋清楚，實在是鴨梨山大
可是，量子通信這幾年發(fā)展十分迅速量子隱態(tài)傳輸，頻頻在各大媒體中現(xiàn)身，吸引了廣泛的關(guān)注。
關(guān)注之余，大家對它飽含了好奇和疑惑，渴望對它有更深入的了解。
所以，盡管難度很大，小編還是決定努力給你們做一個關(guān)于量子通信的專題介紹，幫助你們構(gòu)建對它的基本認知。
好了，廢話說了辣么多，我們開始吧。
Part.1 什么是量子？
讓我們穿越時空，回到十九世紀末。
那個時代，是精典物理學(xué)的巔峰時代。以牛頓高手為代表的科學(xué)家們，在熱學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)方面取得了突飛猛進的成就。
牛爵爺
在世人看來，整個科學(xué)體系其實早已搭建完成，無懈可擊。
但是，隨著時間的進一步推移，科技發(fā)展又步入了新的階段。大量高精尖實驗儀器的問世，幫助人們漸漸打開了新世界的大門。
科學(xué)家們的研究對象，從低速物體漸漸弄成了高速物體，再到音速、超音速、光速；從小型物體到大型物體，再到微觀物體。
科學(xué)家們發(fā)覺，很多實驗結(jié)果都難以用精典物理學(xué)解釋，甚至和傳統(tǒng)的理論認知背道而馳。
最為代表的，是「邁克爾遜-莫雷實驗」和「黑體輻射」。
這兩個概念極其復(fù)雜，限于篇幅，小編就不詳盡解釋了。我們只須要曉得，「邁克爾遜-莫雷實驗」后來催生了大名鼎鼎的“相對論”。而「黑體輻射」呢，催生了我們明天的主角——“量子論”。
1900年10月19日，為了解決黑體輻射的紫外災(zāi)難，普朗克在德國物理學(xué)會上報告了關(guān)于黑體輻射的研究結(jié)果，成為量子論誕生和新物理學(xué)革命宣告開始的偉大時刻。
在同年的12月14日（歷史上也把那天覺得是量子物理的誕生日），他發(fā)表了《關(guān)于正常波譜的能量分布定理》論文，得到一個重要推論：能量是由確定數(shù)量的、彼此相等的、有限的能量包構(gòu)成。
普朗克的發(fā)際線演化過程
（沒事別去學(xué)化學(xué)，真的）
一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。
“量子化”，指其物理量的數(shù)值是離散的，而不是連續(xù)地任意取值。
例如，和電磁波有關(guān)的光子，就不存在半個光子、三分之一個、0.18個光子這樣的說法。
是不是有點暈？別急，我們總結(jié)一下：
量子一詞來自拉丁語，意為“有多少”。
量子是能表現(xiàn)出某物理量特點的最小單元。
量子是不可分割的。
……
不知道有沒有明白一些？ 我相信不少童鞋就早已落荒而逃了。
沒明白也不用消沉，非物理學(xué)專業(yè)的童鞋，確實很難理解量子這個概念。敢于承認自己不懂，也是很了不起的。
不管怎么樣，大家就先記住一點——光子就是一種量子。后面我們會用到這句話。
Part.2 量子知識體系的分類
首先，我們先看一下量子信息的學(xué)科分類。
量子信息結(jié)合了量子力學(xué)和信息科學(xué)的知識，屬于二者的交叉學(xué)科。
而量子信息又分為了量子估算和量子通信。大家常常據(jù)說的量子計算機，就屬于量子估算，和我們明天介紹的量子通信有很大的區(qū)別。
量子通信，分為“量子密鑰分發(fā)”和“量子隱形傳態(tài)”。它們的性質(zhì)和原理是完全不同的。
簡單來說，“量子密鑰分發(fā)”只是借助量子的不可克隆性，對信息進行加密，屬于解決秘鑰問題。而“量子隱形傳態(tài)”是借助量子的糾纏態(tài)，來傳輸量子比特。
接下來，我們分別介紹一下它們。
Part.3 量子密鑰分發(fā)
▋ 3.1 密鑰的重要性
首先，我們先來瞧瞧一次正常的傳統(tǒng)加密通訊是如何實現(xiàn)的：
步驟1：A先寫好明文。
步驟2：A通過加密算法和秘鑰，對明文進行一定的物理運算，編制成密文。
步驟3：密文被傳遞給B。
步驟4：B通過揭秘算法（加密算法的逆運算）和秘鑰，進行相應(yīng)的“逆運算”，把密文翻譯還原成明文。
步驟5：B閱讀明文。
這種加密通訊的關(guān)鍵要素，大家都看下來了，就是秘鑰。
對于第三方來說，獲得密文十分容易——如果你用無線電傳輸密文，無線電是開放的，對方很容易查獲。如果你用有線介質(zhì)，通訊距離幾千公里，也很難保證每一處的安全。
以我們現(xiàn)今使用最多的光纖為例，它就很容易被泄露信息：
光纖彎曲監(jiān)聽示意圖
（通過彎曲光纖，外泄部份光訊號，進行監(jiān)聽）
所以，傳遞的信息，必須經(jīng)過加密，才能保證安全。而加密使用的秘鑰，非常關(guān)鍵。
當(dāng)年二戰(zhàn)，就是由于日軍破解了美軍的秘鑰，結(jié)果將山本五十六的固話擊毀。英軍也是由于利用圖靈的幫助，破解了美軍的秘鑰，最終獲得戰(zhàn)爭優(yōu)勢。
關(guān)于秘鑰，最初人們使用的是密碼本，后來是密碼機，再后來就是RSA等加密算法。
加密算法出現(xiàn)時，因為人和機器的算力有限，所以破解一個算法很慢，難度很大，時間很長。
現(xiàn)在，有了計算機、超級計算機，算力越來越強悍，破解算法的速率也越來越快——
算法在1999年就被破解；在2009年被破解；MD5和SHA-1兩大密算也已告破……
在這些情況下，沒有任何秘鑰是絕對安全的。再復(fù)雜的算法，破解上去只是時間和資源的問題。
那么，究竟怎么樣能夠?qū)崿F(xiàn)真正的絕對安全？
信息論創(chuàng)始人，通信科學(xué)的鼻祖，偉大的克勞德·香農(nóng)先生，總結(jié)提出了“無條件安全”的條件：
密鑰真隨機且“只使用一次” 與明文等長且按位進行二進制與或操作
這樣的方式，理論上是不可破譯的，香農(nóng)對它進行了嚴格的理論證明。
但它也有缺點，就是須要大量的秘鑰，而秘鑰的更新和分配存在漏洞（存在被監(jiān)聽的可能性）！
所以，不解決秘鑰分發(fā)的問題，就不可能實現(xiàn)無條件安全。這也造成了在香農(nóng)發(fā)布了這一成果以后，根本沒有人才能使用這些方法。
而量子密鑰分發(fā)，就是為了解決這個問題！
▋ 3.2 量子密鑰分發(fā)的工作原理
注意，前方高能預(yù)警！請勿必跟上小編的思路！
1984年，IBM公司的研究人員和蒙特利爾大學(xué)的學(xué)者在美國舉行的一個國際學(xué)術(shù)會議上遞交了一篇論文《量子密碼學(xué):公鑰分發(fā)和拋幣》( : key and coin )。
他們提出了BB84合同。該合同把密碼以秘鑰的方式分配給信息的收發(fā)雙方，因此也叫做“量子密鑰分發(fā)”。
具體的原理如下：
因為光子有兩個獨立的偏振光方向，而且互相垂直。
所以，單光子源每次生成的單個光子，可以是這樣：
我們可以簡單選定“水平垂直”或“對角”的檢測方法（我們稱之為測量基），對單光子源形成的單光子進行檢測。
當(dāng)檢測基和光子偏振光方向一致，就可以得出結(jié)果（要么是1，要么是0）；
當(dāng)檢測基和光子偏振光方向偏45°，就不能得出確切的結(jié)果。
光子都會變化，偏振方向改變45°，那么就是1或0的機率各50%。
所以，兩種檢測基，對不同偏振光方向光子的檢測結(jié)果歸納如下：
好了，原理就是這樣。
生成一組二進制秘鑰的過程如下：
（注意！下面所說的過程，都是為了生成秘鑰，不是在發(fā)送信息報文本身！）
發(fā)送方（我們先稱為A），首先隨機生成一組二進制比特（所謂的精典比特，0或1這些）。
例如：
A對每1個比特，隨機選擇測量基。
例如：
所以，發(fā)送的偏振光光子分別是（見右圖中虛框）：
接收方（我們先稱為B），收到這種光子以后，隨機選擇檢測基進行檢測：
例如依次選擇以下檢測基：
那么，測量結(jié)果如下（見實線框內(nèi)）：
A和B通過傳統(tǒng)方法（例如電話或QQ，不在意被監(jiān)聽），對比雙方的檢測基。測量基相同的，該數(shù)據(jù)保留。測量基不同的，該數(shù)據(jù)拋棄。
保留出來的數(shù)據(jù)，就是最終的秘鑰。（下圖中，1001就是秘鑰）
如果，存在一個竊取者（我們稱為C）。
如果C只監(jiān)聽A和B對比檢測基量子隱態(tài)傳輸，那C會得到這樣的信息：
不同不同相同相同不同不同相同相同
這個對他來說，沒有任何意義。
C只能去檢測A到B的光子。
注意！因為量子的不可克隆性，C沒有辦法復(fù)制光子。
C只能去搶在B之前進行檢測（劫聽）。
如果C檢測，他也要隨機選擇自己的測量基。
那么，問題來了，如果C去檢測剛剛那一組光子，他有一半的機率和A選擇一樣的檢測基（光子偏振光方向無影響），還有一半的機率，會導(dǎo)致光子改變偏振光方向（偏45°）。
如果光子的偏振光方向改變，那么B的檢測準(zhǔn)確率肯定受影響：
沒有C的情況下，A和B之間采用相同檢測基的機率是50%。
所以，A和B之間掏出一小部份檢測結(jié)果下來對比，有50%相同。
有C的情況下，A和C之間采用相同檢測基的機率是50%。B和C之間采用相同檢測基的機率是50%。
所以，A和B之間掏出一小部份檢測結(jié)果下來對比，有25%相同。
由此，可以判斷一定有人在監(jiān)聽。通信停止，當(dāng)前信息作廢。
對于單個比特來說，C有25%的機率不被發(fā)覺，但是現(xiàn)實情況絕對不止1個比特，肯定是N個數(shù)量級的比特，所以，C不被發(fā)覺的機率就是25%的N次方。
稍微懂點物理，就曉得這個數(shù)值的驚悚：
25%的10次方：9.-7
25%的20次方：9.-13
……
也就是C不被發(fā)展的機率極低極低。
能理解了嗎？希望你跟上了思路，如果邏輯思維能力OK，這個過程應(yīng)當(dāng)是不難理解的。
總而言之，量子密鑰分發(fā)（其實叫量子密鑰協(xié)商，更為確切），使通信雙方可以生成一串絕對保密的量子秘鑰，用該秘鑰給任何二進制信息加密，都會使加密后的二進制信息難以被揭密，因此從根本上保證了傳輸信息過程的安全性。
▋ 量子密鑰分發(fā)的爭議
其實，如果稍加思索，就會發(fā)覺這些秘鑰分發(fā)形式存在一個問題，那就是——
這個方法只能發(fā)覺竊聽者，不能保證通訊的穩(wěn)定性！
你想，如果竊聽者不停地監(jiān)聽，怎么辦？A和B似乎可以隨時察覺被監(jiān)聽，但是她們所能做的，就是停止通訊啊。如果通訊停止了，那通訊的目的就達不到了啊。
所以，業(yè)內(nèi)對量子通信的爭議，很大一部分就在于此：
“如果竊聽者消失了，那么任何密碼技術(shù)都是多余的。”
反對者的邏輯是：
如果青蛙躲在兔子殼上面，它一伸開頭，鳥就啄它，那么它只能縮回來，它再伸，鳥再啄，它就永遠沒機會吃東西，只能凍死。
支持者的邏輯是：
通信的保密性要小于消息的穩(wěn)定性。如果確認不安全，那即便不傳。
如果我和你說話，我發(fā)覺有人偷聽，那我就不說。但是，正常情況下，我們不可能坐以待斃，我們肯定會派人去抓出竊聽者（量子通信里，根據(jù)估算，很容易找到監(jiān)聽點）。
對方不可能明知道會被抓，還堅持監(jiān)聽，再多的竊聽者也不夠抓的。
“通信秘鑰分發(fā)”方式的量子通信，就是擁有隨時發(fā)覺竊聽者的能力，給竊聽者以威懾，以此保衛(wèi)自己的通訊安全。
如果真的是對方魚死網(wǎng)破，全力制止你通訊，那么除了是量子通信，任何通訊模式都是無力抵擋的（針對無線通訊的訊號干擾和壓制、針對有線通訊進行轟炸和破壞）。
世界上最可怕的，就是你的通訊被監(jiān)聽了，而你自己卻不知道。
難道不是嗎？
Part.4 量子隱形傳態(tài)
接下來，我們來談?wù)劻孔油ㄐ诺牧硗庖环N形式——“量子隱形傳態(tài)”。
如果說，量子密鑰分發(fā)只是量子力學(xué)應(yīng)用于精典通訊的一個小應(yīng)用（加了把量子鎖），那量子隱形傳態(tài)，就是“真正”的量子通信了。
解釋量子隱形傳態(tài)之前，我們必須先解釋兩個重要概念——“量子比特”和“量子糾纏”。
▋ 量子比特
我們目前進行信息儲存和通訊，使用的是精典比特。
一個精典比特在特定時刻只有特定的狀態(tài)，要么0，要么1，所有的估算都根據(jù)精典的物理學(xué)規(guī)律進行。
但量子比特和精典比特不同。
量子信息植根于量子物理學(xué)，一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態(tài)。
相比于一個精典比特只有0和1兩個值，一個量子比特的值有無限個。直觀來看就是把0和1當(dāng)作兩個向量，一個量子比特可以是0和1這兩個向量的所有可能的組合。
表示量子比特的Bloch球
Bloch球的球面，代表了一個量子比特所有可能的取值。
但是須要強調(diào)的是：一個量子比特只富含零個精典比特的信息。
因為一個精典比特是0或1，即兩個向量。而一個量子比特只是一個向量（0和1的向量合成）。就好比一個精典比特只能取0，或者只能取1，它的信息量是零個精典比特。
▋ 量子糾纏
量子力學(xué)中最神秘的就是疊加態(tài)，而“量子糾纏”正是多粒子的一種疊加態(tài)。
一對具有量子糾纏態(tài)的粒子，即使相隔極遠，當(dāng)其中一個狀態(tài)改變時，另一個狀態(tài)也會即刻發(fā)生相應(yīng)改變。
例如，糾纏態(tài)中有一種，無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時，B粒子一定處于1態(tài)；反之，當(dāng)A粒子處于1態(tài)時，B粒子一定處于0態(tài)。
是不是想到了蟲洞？
這種跨越空間的、瞬間影響雙方的“量子糾纏”，曾經(jīng)被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”( a )。
愛因斯坦借此來指責(zé)量子力學(xué)的完備性，因為這個超距作用違背了他提出的“定域性”原理，即任何空間上相互影響的速率都不能超過光速。這就是知名的“EPR佯謬”。
大神之間的對決
后來，物理學(xué)家玻姆在愛因斯坦的“定域性”原理基礎(chǔ)上，提出了“隱變量理論”來解釋這些超距相互作用。
不久物理學(xué)家貝爾提出了一個不等式，可以來判斷量子力學(xué)和隱變量理論誰正確。如果實驗結(jié)果符合貝爾不等式，則隱變量理論勝出。如果實驗結(jié)果違背了貝爾不等式，則量子力學(xué)勝出。
但是后來一次次實驗結(jié)果都違背了貝爾不等式，即都否認了量子力學(xué)是對的，而隱變量理論是錯的。
2015年，荷蘭物理學(xué)家做的最新的無漏洞貝爾不等式檢測實驗，基本宣告了愛因斯坦定域性原理的死緩。
▋ 量子隱形傳態(tài)
理解了量子糾纏，我們就可以理解“量子隱形傳態(tài)”了。
由于量子糾纏是非局域的，即兩個糾纏的粒子無論相距多遠，測量其中一個的狀態(tài)必然能同時獲得另一個粒子的狀態(tài)，這個“信息”的獲取是不受光速限制的。于是，物理學(xué)家自然想到了是否能把這些跨越空間的糾纏態(tài)拿來進行信息傳輸。
因此，基于量子糾纏態(tài)的量子通信便應(yīng)運而生，這種借助量子糾纏態(tài)的量子通訊就是“量子隱形傳態(tài)”（）。
量子隱形傳態(tài)的過程（即傳輸合同）一般分如下幾步：
（1）制備一個糾纏粒子對。將粒子1發(fā)射到A點，粒子2發(fā)送至B點。
（2）在A點，另一個粒子3攜帶一個想要傳輸?shù)牧孔颖忍豎。于是A點的粒子1和B點的粒子2對于粒子3一起會產(chǎn)生一個總的態(tài)。在A點同時檢測粒子1和粒子3，得到一個檢測結(jié)果。這個檢測會使粒子1和粒子2的糾纏態(tài)坍縮掉，但同時粒子1和和粒子3卻糾纏到了一起。
（3）A點的一方借助精典信道（就是精典通信形式，如電話或郵件等）把自己的檢測結(jié)果告訴B點一方。
（4）B點的一方收到A點的檢測結(jié)果后，就曉得了B點的粒子2處于那個態(tài)。只要對粒子2稍做一個簡單的操作，它還會弄成粒子3在檢測前的狀態(tài)。也就是粒子3攜帶的量子比特?zé)o損地從A點傳輸?shù)搅薆點，而粒子3本身只留在A點，并沒有到B點。
以上就是通過量子糾纏實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的方式，即通過量子糾纏把一個量子比特?zé)o損地從一個地點傳到另一個地點，這也是量子通訊目前最主要的形式。
需要注意的是，由于步驟3是精典信息傳輸并且不可忽視，因此它限制了整個量子隱形傳態(tài)的速率，使得量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速率未能超過光速。
因為量子估算須要直接處理量子比特，于是“量子隱形傳態(tài)”這種直接傳的量子比特傳輸將成為未來量子估算之間的量子通訊方法，未來量子隱形傳態(tài)和量子計算機終端可以構(gòu)成純粹的量子信息傳輸和處理系統(tǒng)，即量子互聯(lián)網(wǎng)。
這也將是未來量子信息時代最明顯的標(biāo)志。
注：上述過程描述文字直接引用了互聯(lián)網(wǎng)文章《獨家解密：量子通信怎樣做到“絕對安全”？》 （張文卓 中國科學(xué)院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院）