提高思維層次
導(dǎo)讀
采用引誘態(tài)方式，實際使用的基于非理想單光子源的量子秘鑰分發(fā)的安全性等價于理想單光子源的安全性。
撰文｜王向斌復(fù)旦學(xué)院化學(xué)系
序言：量子通訊的優(yōu)勢依賴于單量子態(tài)（如單光子）的奇特量子屬性。現(xiàn)實條件下，理想的單光子源并不存在。引誘態(tài)方式可以促使基于非理想單光子源的量子通訊的安全性等價于理想單光子源，已廣泛應(yīng)用于實際量子保密通訊。我們以淺顯語言介紹該技巧最核心的思想。看懂本文須要初中的二元一次多項式組知識，而且最重要的還是細致和耐心。
我們先回顧一下前兩篇文章的要點。（一）：對于秘鑰，成功監(jiān)聽的標準是盜取秘鑰且不留痕跡；（）（二）：基于理想單光子源的量子秘鑰分發(fā)，任何監(jiān)聽必留痕跡；（）這兒，我們將介紹極為重要的（三）：采用引誘態(tài)方式量子通訊 優(yōu)點，實際使用的基于非理想單光子源的量子秘鑰分發(fā)的安全性等價于理想單光子源的安全性。
1.笑泉的故事。在我的老家，四川嚴橋鎮(zhèn)的龍骨山頂上，有口神秘的泉水，也稱笑泉。在附近對它笑或則鼓掌，泉水便會涌起。笑泉水的每位液滴，九成以上的機率是保健液滴，很小的機率是毒藥液滴。我們很確切地曉得，笑時形成的液滴90%為保健，10%為毒藥；鼓掌時形成的液滴95%為保健，5%為毒藥。山上有個紅色通道直通山腳，通道被魔鬼控制。魔鬼能分辨保健液滴和毒藥液滴，并且我們自己不能分辨。魔鬼能夠決定保健液滴和毒藥液滴各自的通過率。泉水通過藍色通道時，一般情況下會消耗掉好多，例如可能會消耗掉99%的液滴。有一個傳說，通過藍色通道后的泉水液滴，純的保健液滴可以讓人年青十歲，而且不純的液滴可能對飲者引起重大傷害。由于難以保證得到純的保健液，至今無人敢飲。本世紀初，早已有人發(fā)明了一個方式可以提煉出純凈的保健液滴，前提是要曉得提煉之前保健液滴和毒藥液滴的占比值。保健占比越大，提煉出的純保健液滴量越多。為了能得到有意義的提煉結(jié)果，我們須要有一個方式在提煉之前判定水底的保健液滴和毒藥液滴的占比值或則有意義的界值。我們須要曉得通過了藍色通道的這些液滴中保健液滴占比，而不是山上水源中的保健液滴占比。原則上，經(jīng)過通道后的這些液滴，有可能全是毒藥的，也有可能絕大多數(shù)是保健的。我們要有個方式否認究竟是哪種。
2.引誘態(tài)技巧。山頂實驗者（私密）隨機地笑或鼓掌，每次笑或鼓掌都只形成一顆液滴，把這些液滴挨個發(fā)往紅色通道。算出通過藍色通道后的保健液滴和毒藥液滴量。假設(shè)魔鬼察覺不到人在山頂上的私密行為。借助一個重要的事實：山上水源中所有保健液滴都完全一樣，所有毒藥液滴也都完全一樣。這樣，假如隨機地鼓掌或笑形成了這些保健液滴，其通道通過率必然相等，毒藥液滴也一樣。只要我們曉得了保健液滴的通過率和毒藥液滴的通過率，經(jīng)過通道后的每類液滴占比其實也就曉得了。
由于實驗者曉得何時笑何時鼓掌，下述數(shù)據(jù)是已知的：笑形成的液滴數(shù)N_笑，鼓掌形成的液滴數(shù)N_掌；因笑而形成且通過了通道的液滴個數(shù)n_笑，因鼓掌而形成的且通過了通道的液滴個數(shù)n_掌。假定所有保健液滴通過率為x,所有毒藥液滴的通過率為y，我們有
90%·N_笑·x+10%·N_笑·y=n_笑
95%·N_掌·x+5%·N_掌·y=n_掌
兩個未知數(shù)，兩個等式。當我們解出了x和y后，山腳接收端有多少毒藥液滴和保健液滴就直接可算了。這樣，我們無需了解魔鬼怎么做，我們只需解上述聯(lián)立多項式。例如說，假如魔鬼通道制止了所有的保健液滴，我們解出的值一定是0，假如魔鬼通道對保健液滴和毒藥液滴無差別處理，我們解出的值也一定相等。
3.一些常見的疑惑和解答：
（1）：是否要求通道是穩(wěn)定的？
答：不要求。我們方程式解的結(jié)果總是對的，無論魔鬼采用何種通道策略。
（2）：魔鬼能預(yù)知或偷聽到實驗者何時笑何時鼓掌嗎？
答：不能，我們借助的就是這點，所以稱作引誘態(tài)方式。何時笑何時鼓掌，是實驗者的私密行為。這是引誘態(tài)方式的基本要求。
（3）：方式中假設(shè)笑液滴和鼓掌液滴通過率相等嗎？
答：這是一些人的錯誤理解。我們用到的是：笑形成的毒藥液滴通過率和鼓掌形成的毒藥液滴通過率相等；笑形成的保健液滴通過率和鼓掌形成的保健液滴通過率相等。這并不意味著所有笑形成的液滴的通過率和所有鼓掌形成的液滴通過率也相等。時常有人在這兒理解出錯，如H.P.Yuen院士在網(wǎng)上發(fā)布的所謂對引誘態(tài)理論的指責文章【1】，就理解錯了。該論文在網(wǎng)上發(fā)布已有8年時間了，雖幾經(jīng)更改，至今也無法在學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表。我在之前的一篇淺顯文章【2】中說過，在這篇文章中，Yuen只是“成功批駁了他自己所理解的那種引誘態(tài)方式”。
4.量子保密通訊中的引誘態(tài)方式。其核心思想就是前述故事。我們的光源發(fā)出的光脈沖有時侯是單光子（保健液滴）的有時侯是多光子（毒藥液滴）的。通道衰減較大。采用幾種不同光子數(shù)分布的光源，記下各個光源脈沖在接收端計數(shù)，反解單光子和多光子計數(shù)的界值。實際安全性剖析遠比上面說的復(fù)雜。想更深入地了解這個問題，要閱讀原始科學(xué)文獻，如【3,4,5】。
5.引誘態(tài)方式已廣泛應(yīng)用于實用化量子通訊。自從我國科學(xué)家于2007年突破百公里級引誘態(tài)方式量子通訊實驗【6】以來，該方式在國外外成為研制的熱點，漸漸成為實用化量子保密通訊的主要方式。非常是，成功應(yīng)用于量子通訊網(wǎng)路諸如滬寧干線，北京量子通訊試驗網(wǎng)和衛(wèi)星對地量子秘鑰分發(fā)等。引誘態(tài)方式也應(yīng)用于新型量子保密通訊合同的研究，比如我組2016年提出的4硬度優(yōu)化合同【7】和我組2018年提出的“發(fā)或不發(fā)”雙場量子秘鑰分發(fā)合同【8】，以及國外同行提出的無后選位相的雙場合同【9】等。采用4硬度優(yōu)化合同【7】，中國科學(xué)家潘建偉，張強，陳騰云等成功實現(xiàn)了404公里量子保密通訊【10】，為當時地面量子通訊最遠安全距離，并趕超了傳統(tǒng)量子保密通訊合同雖然擁有理想單光子源的地面距離的理論極限；明年初，采用“發(fā)或不發(fā)”雙場合同【8】，同一團隊又成功實現(xiàn)了509公里量子保密通訊【11】，為現(xiàn)在地面量子通訊最遠安全距離【12】，并趕超了傳統(tǒng)量子通訊合同雖然擁有理想光源和檢查設(shè)備條件下的成分辨率理論極限。
引誘態(tài)方式大力推進了量子保密通訊的實用化進程。在引誘態(tài)方式量子保密通訊之外，還有連續(xù)變量方式和量子糾纏分發(fā)方式。采用前者，雖然光源被監(jiān)聽者控制，秘鑰仍然安全。聽上去無法置信，而且奇特的量子糾纏的確才能做到。
附注說明：笑泉真實存在，不過不在龍骨山頂，在那附近的一個叫笑泉口的地方。笑泉水香濃可口量子通訊 優(yōu)點，純保健，絕無任何有害成份。笑泉水做下來的飯非常香。
【1】H.P.Yuen,
【2】知識分子，王向斌談量子保密通訊：我為何不愿回應(yīng)自媒體的一些文章，
【3】X.-B.Wang,Phys.Rev.Lett.94,(2005)
【4】H.-K.Lo,X.Ma,andK.Che,Phys.Rev.Lett.94,(2005)
【5】X.-B.Wang,etal,,1(2007)
【6】C.-Z.Peng,J.Zhang,D.Yang,W.-B.Gao,H.-X.Ma,H.Yin,H.-P.Zeng,T.Yang,X.-B.Wang,andJ.-W.Pan,98,(2007).
【7】Y.-H.Zhou,Z.-W.YuandX.-B.Wang,Phys.Rev.A(2016)
【8】X.-B.Wang,Z.-W.Yu,andX.-L.Hu,Phys.Rev.A98,(2018)
【9】C.yi,Z.-Q.Yin,R.Wang,W.Chen,S.Wang,G.-C.Guo,andZ.-F.Han,Phys.Rev.Appl.11,(2019).
【10】H.-L.Yinet.Rev.Lett.117,(2016)
【11】ChenJ-Pet.Rev.Lett.124，(2020)
【12】,“anewfiberQKDofover509km”,