懸疑連續(xù)劇里常有這樣的場(chǎng)景：旅客走入“超時(shí)空傳送機(jī)”，機(jī)器開始運(yùn)轉(zhuǎn)，一眨眼旅客就被傳送到數(shù)萬(wàn)光年以外的星體。日前，中國(guó)科學(xué)家在“量子通訊”方面的順利進(jìn)展——實(shí)現(xiàn)了目前世界上最長(zhǎng)距離的“量子通訊傳輸”，引發(fā)了公眾的普遍好奇，這很大程度上是由于一些媒體的報(bào)導(dǎo)中，把量子通訊的性質(zhì)理解為上述的“超遠(yuǎn)距離遁地”——從月球遁去火星，花費(fèi)時(shí)間為零。
實(shí)際上“量子通訊”倒沒(méi)有如此神奇。這些通訊技術(shù)的興奮人心之處，不在于傳播信息的速率，而是它“絕不泄露”的能耐。
“科學(xué)家所做的，就是找尋合適的方式，讓量子通訊才能逐步降低距離，最終投入實(shí)用。”在中國(guó)科技學(xué)院院長(zhǎng)，量子信息學(xué)家韓正甫看來(lái)，中國(guó)科學(xué)家近些年在這一領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)展，讓量子通訊技術(shù)開發(fā)的前景越來(lái)越光明。
為何量子通訊能不被監(jiān)聽
先回頭談?wù)劻孔永碚摚?0世紀(jì)初的實(shí)驗(yàn)發(fā)覺(jué)，能量或物質(zhì)細(xì)小到一定限度量子通訊速度，就難以被確切檢測(cè)了(測(cè)不準(zhǔn)原理)。由于檢測(cè)意味著干涉，當(dāng)被檢測(cè)物微小到了極限，就不可能不被檢測(cè)完全改變。理論上完美到極至的顯微鏡，對(duì)于一個(gè)量子級(jí)別的粒子也束手無(wú)策，由于一“碰”就損壞了粒子的待測(cè)狀態(tài)。
量子理論作為現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的核心理論，百年來(lái)被無(wú)數(shù)次證明和應(yīng)用，也被每一個(gè)化學(xué)學(xué)家熟知。而借助量子效應(yīng)來(lái)保護(hù)通訊密碼的創(chuàng)意，是上世紀(jì)80年代英國(guó)人提出的。
這個(gè)看法的實(shí)質(zhì)在于：如果讓量子態(tài)的粒子攜帶密碼信息，就不會(huì)被半道檢測(cè)和竊取了。換句話說(shuō)：假如信息僅“附著”在一個(gè)光子或電子上，當(dāng)間諜“偷聽”時(shí)，信息就被盜聽動(dòng)作改變了。靠著極端“脆弱”，這條信息通道可以保證內(nèi)容的機(jī)密。
科學(xué)家怎樣利藥量子來(lái)傳輸信息呢？這就要用到“量子糾纏”的數(shù)學(xué)特點(diǎn)。
量子糾纏：永遠(yuǎn)同步的胞胎
《格林童話》里提及：一對(duì)胞胎兄弟心靈相通，即使是分道揚(yáng)鑣天各一方，父親殉職，弟弟即刻得悉。
在微觀世界里，也有“心靈感應(yīng)”的可能。這就是曾被愛(ài)因斯坦叫做“幽靈般的超距離作用”的“量子糾纏”。按照量子熱學(xué)，有共同來(lái)源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子發(fā)生變化能夠立刻影響到另外一個(gè)粒子，即兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，都能“感知”對(duì)方的狀態(tài)。
量子糾纏現(xiàn)象，致使光子、電子甚至是原子之間能互相影響，互相掣肘，因而傳遞信息。理論上講，這些糾纏可以使兩點(diǎn)之間，不論距離的即時(shí)通訊順利完成。這些“超距離通訊”不僅讓人們倍感新奇，并且給了科學(xué)家借助它來(lái)傳遞秘鑰的機(jī)會(huì)。
隨機(jī)狀態(tài)：偷不走的密碼本
往年無(wú)論是二戰(zhàn)時(shí)美軍、日軍的電報(bào)密碼本，還是防盜版用的軟件加密算法，總有被人搶走或破譯的危險(xiǎn)。但是，靠著量子糾纏的特點(diǎn)，科學(xué)家就可以給出一個(gè)未能泄露、也無(wú)從破譯的秘鑰——你知我知，天不知地不知。
只要制造一對(duì)糾纏的粒子A和B，分別給信息的傳送人和接收人，這對(duì)粒子就好象唐代
戰(zhàn)爭(zhēng)用的兵符一樣，總是嚴(yán)格吻合的。
A粒子的狀態(tài)，在傳送人的檢測(cè)下，表現(xiàn)為一系列隨機(jī)值；因?yàn)锳和B糾纏互感，所以十萬(wàn)八千里外的B粒子，也表現(xiàn)出了一系列的對(duì)應(yīng)值。也就是說(shuō)，發(fā)信人和收信人把握了同一套隨機(jī)數(shù)列——這就是秘鑰。
秘鑰的載體是量子態(tài)的粒子，所以不能被半道探測(cè)(測(cè)不準(zhǔn)原理)。有了絕對(duì)安全的秘鑰，傳送人可以放心大膽地把信息加密后傳出去了。窺視者會(huì)對(duì)這種加密信息束手無(wú)策。
把秘鑰扔遠(yuǎn)，再扔遠(yuǎn)
量子秘鑰的創(chuàng)意無(wú)懈可擊，但目前還不能投入大規(guī)模應(yīng)用，緣由是很難讓一對(duì)糾纏粒子在長(zhǎng)距離上保持穩(wěn)定。在幾米內(nèi)有效的秘鑰，在幾公里外就失真，之后消逝在虛空中了。因而超長(zhǎng)距離的量子通訊，其實(shí)還逗留在理論階段。但在韓院士看來(lái)，這并不意味著研究人員的進(jìn)展平緩。事實(shí)上，近些年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家仍然在刷新量子傳輸的距離紀(jì)錄。
按照上個(gè)月的最新消息，中科大的研究團(tuán)隊(duì)，早已讓糾纏態(tài)的高能光子對(duì)穿過(guò)10英里長(zhǎng)的自由空間通道。這一距離是目前國(guó)際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠(yuǎn)距離，也是目前國(guó)際上沒(méi)有監(jiān)聽漏洞的量子秘鑰分發(fā)的最大距離。
研究人員發(fā)覺(jué)，在這個(gè)距離上接收端的光子，仍能響應(yīng)留在后方的光子狀態(tài)變化。遠(yuǎn)距傳輸?shù)钠骄Ｕ娑葹?9%。這項(xiàng)突破意味著量子通訊應(yīng)用擴(kuò)大到全球規(guī)模，恐怕不久才會(huì)到來(lái)。
同時(shí)，中科大的研究團(tuán)隊(duì)還首次證明了：糾纏光子在穿透等效于整個(gè)大氣層寬度的地面大氣后量子通訊速度，其糾纏的特點(diǎn)一直才能保持，并可應(yīng)用于高效、安全的量子通訊。科學(xué)家們正在計(jì)劃舉辦更遠(yuǎn)距離的量子通訊實(shí)驗(yàn)，下一步的目標(biāo)是通過(guò)自由空間實(shí)現(xiàn)幾百公里的量子通訊，趕超光纖傳輸?shù)臉O限。
可以想像，未來(lái)應(yīng)用了量子通訊的戰(zhàn)場(chǎng)和政界，許多間諜工具和知識(shí)將逐步衰落。
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被媒體誤解的“量子通訊”
一些媒體剖析“量子通訊”時(shí)，往往轉(zhuǎn)載使用了“超時(shí)空傳送”這個(gè)容易造成誤會(huì)的詞。的確，不論多遠(yuǎn)都能“互感”的量子糾纏，很容易讓人疑惑：這是不是意味著，信息速率上限為光速這個(gè)原理失效了呢？
事實(shí)上，糾纏的兩個(gè)粒子雖然可以在很遠(yuǎn)的距離上一個(gè)影響另一個(gè)，但它們難以傳遞任何信息。以秘鑰為例，當(dāng)雙方共享同一套秘鑰時(shí)，并沒(méi)有發(fā)生信息的傳遞——雙方未能借助秘鑰做任何事情，直至加密的文本傳來(lái)，秘鑰才有意義——傳送加密文本的速率始終不可能超過(guò)光速。相對(duì)論沒(méi)有失效。
量子通訊和傳統(tǒng)通訊的惟一區(qū)別在于，量子通訊采用了一種新的秘鑰生成方法，但是秘鑰不可能被第三方獲取。量子通訊并不神奇。