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想要把這種知識都解釋清楚，實在是鴨梨山大
量子通訊這幾年發展十分迅速，頻頻在各大媒體中現身，吸引了廣泛的關注。
關注之余，你們對它飽含了好奇和疑惑，盼望對它有更深入的了解。
所以，雖然難度很大，我還是決定努力給你們做一個關于量子通訊的專題介紹，幫助你們構建對它的基本認知。
好了，屁話說了辣么多量子通訊技術真偽，我們開始吧。
Part.1哪些是量子？
讓我們把穿越時空，回到十九世紀末。
哪個時代，是精典數學學的顛峰時代。以牛頓高手為代表的科學家們，在熱學、熱學、光學、聲學、電磁學方面取得了突飛猛進的成就。
牛九爺
在世人看來，整個科學體系其實早已搭建完成，無懈可擊。
然而，隨著時間的進一步推移，科技發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微觀世界的房門。
科學家們的研究對象，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。
科學家們發覺，好多實驗結果都難以用精典數學學解釋，甚至和傳統的理論認知背道而馳。
最為代表的，是「邁克爾遜-莫雷實驗」和「黑體幅射」。
這兩個概念極其復雜，限于篇幅，我就不詳盡解釋了。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「黑體幅射」呢，催生了我們明天的主角——“量子論”。
1900年10月19日，為了解決宋體幅射的紫外災難，普朗克在美國數學學會上報告了關于宋體幅射的研究結果，成為量子論誕生和新數學學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化學的誕生日），他發表了《關于正常波譜的能量分布定理》論文，得到一個重要推論：能量是由確定數量的、彼此相等的、有限的能量包構成。
普朗克的發際線變遷過程。。。
（沒事別去學化學，真的）
一個數學量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。
“量子化”，指其數學量的數值是離散的，而不是連續地任意取值。
比如，光是由光子組成的，光子就是光量子，就是一種量子。
而光子，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，我們總結一下：
不曉得有沒有明白一些？我相信不少童鞋就早已落荒而逃了。
沒明白也不用消沉，非化學學專業的童鞋，確實很難理解量子這個概念。勇于承認自己不懂，也是很了不起的。
不管怎樣樣，你們就先記住一點——光子就是一種量子。前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科分類。
量子信息結合了量子熱學和信息科學的知識，屬于二者的交叉學科。
而量子信息又分為了量子估算和量子通訊。你們常常據說的量子計算機，就屬于量子估算，和我們明天介紹的量子通訊有很大的區別。
量子通訊，分為“量子秘鑰分發”和“量子隱型傳態”。它們的性質和原理是完全不同的。
簡單來說，“量子秘鑰分發”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“量子隱型傳態”是借助量子的糾纏態，來傳輸量子比特。
接出來，我們分別介紹一下它們。
Part.3量子秘鑰分發
▋3.1秘鑰的重要性
首先，我們先來瞧瞧一次正常的傳統加密通訊是如何實現的：
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，進行相應的“逆運算”，把密文翻譯還原成明文。
步驟5：B閱讀明文。
這些加密通訊的關鍵要素，你們都看下來了，就是秘鑰。
對于第三方來說，獲得密文特別容易——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。假如你用有線介質，通信距離幾千公里，也很難保證每一處的安全。
以我們如今使用最多的光纖為例，它就很容易被泄露信息：
光纖彎曲監聽示意圖
（通過彎曲光纖，泄露部份光訊號，進行監聽）
所以，傳遞的信息，必須經過加密，能夠保證安全。而加密使用的秘鑰，十分關鍵。
當初二戰，就是由于日軍破解了美軍的秘鑰，結果將山本五十六的固話擊毀。美軍也是由于利用圖靈的幫助，破解了美軍的秘鑰，最終獲得戰爭優勢。
關于秘鑰，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。
加密算法出現時，因為人和機器的算力有限量子通訊技術真偽，所以破解一個算法很慢，難度很大，時間很長。
現今，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。再復雜的算法，破解上去只是時間和資源的問題。
這么，到底怎樣樣能夠實現真正的絕對安全？
信息論創始人，通訊科學的鼻祖，偉大的克勞德·香農先生，總結提出了“無條件安全”的條件：
這樣的方式，理論上是不可破譯的，香農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（存在被監聽的可能性）！
所以，不解決秘鑰分發的問題，就不可能實現無條件安全。這也造成了在香農發布了這一成果以后，根本沒有人就能使用這些方法。
而量子秘鑰分發，就是為了解決這個問題！
▋3.2量子秘鑰分發的工作原理
注意，前方高能預警！請勿必跟上紅棗君的思路！
1984年，IBM公司的研究人員和加拿大學院的學者在美國舉行的一個國際學術大會上遞交了一篇論文《量子密碼學:私鑰分發和拋幣》(:keyandcoin)。
她們提出了BB84合同。該合同把密碼以秘鑰的方式分配給信息的收發雙方，因而也叫做“量子秘鑰分發”。
具體的原理如下：
由于光子有兩個偏振光方向，并且互相垂直。
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（我們稱之為檢測基），對單光子源形成的單光子進行檢測。
當檢測基和光子偏振光方向一致，就可以得出結果（要么是1，要么是0）；
當檢測基和光子偏振光方向偏45°，就不能得出確切的結果。
光子都會變化，偏振光方向改變45°，這么就是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果歸納如下：
好了，原理就是這樣。
生成一組二補碼秘鑰的過程如下：
（注意！下邊所說的過程，都是為了生成秘鑰，不是在發送信息報文本身！）
發送方（我們先稱為A），首先隨機生成一組二補碼比特（所謂的精典比特，0或1這些）。
比如：
A對每1個比特，隨機選擇檢測基。
比如：
所以，發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：
比如依次選擇以下檢測基：
這么，檢測結果如下（見實線框內）：
A和B通過傳統方法（比如電話或QQ，不在意被監聽），對比雙方的檢測基。檢測基相同的，該數據保留。檢測基不同的，該數據拋棄。
保留出來的數據，就是最終的秘鑰。（右圖中，1001就是秘鑰）
假如，存在一個泄露者（我們稱為C）。
假如C只監聽A和B對比檢測基，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！由于量子的不可克隆性，C沒有辦法復制光子。
C只能去搶在B之前進申論量（劫聽）。
假如C檢測，他也要隨機選擇自己的檢測基。
這么，問題來了，若果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，會造成光子改變偏振光方向（偏45°）。
假如光子的偏振光方向改變，這么B的檢測確切率肯定受影響：
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果下來對比，有25%相同。
由此，可以判斷一定有人在監聽。通訊停止，當前信息作廢。
對于單個比特來說，C有25%的機率不被發覺，然而現實情況絕對不止1個比特，肯定是N個數目級的比特，所以，C不被發覺的機率就是25%的N次方。
稍為懂點數學，就曉得這個數值的驚悚：
25%的10次方：9.-7
25%的20次方：9.-13
……
也就是C不被發展的機率極低極低。
能理解了嗎？希望你跟上了思路，假如邏輯思維能力OK，這個過程應當是不難理解的。
總而言之，量子秘鑰分發（雖然叫量子秘鑰協商，更為確切），使通信雙方可以生成一串絕對保密的量子秘鑰，用該秘鑰給任何二補碼信息加密，就會使加密后的二補碼信息難以被揭密，因而從根本上保證了傳輸信息過程的安全性。
▋量子秘鑰分發的爭議
雖然，假如稍加思索，都會發覺這些秘鑰分發形式存在一個問題，那就是——
這個方法只能發覺監聽者，不能保證通訊的穩定性！
你想，假如監聽者不停地監聽，如何辦？A和B似乎可以隨時察覺被監聽，而且她們所能做的，就是停止通訊啊。假如通訊停止了，那通訊的目的就達不到了啊。
所以，業內對量子通訊的爭議，很大一部份就在于此：
“如果監聽者消失了，這么任何密碼技術都是多余的。”
反對者的邏輯是：
假如寄居蟹躲在寄居蟹殼上面，它一伸開頭，鳥就啄它，這么它只能縮回來，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：
通訊的保密性要小于消息的穩定性。倘若確認不安全，那即便不傳。
假如我和你說話，我發覺有人偷聽，那我就不說。并且，正常情況下，我們不可能坐以待斃，我們肯定會派人去抓出監聽者（量子通訊里，按照估算，很容易找到監聽點）。
對方不可能明曉得會被抓，還堅持監聽，再多的監聽者也不夠抓的。
“通信秘鑰分發”方式的量子通訊，就是擁有隨時發覺監聽者的能力，給監聽者以威懾，借以保衛自己的通訊安全。
假如真的是對方魚死網破，竭力制止你通訊，這么除了是量子通訊，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，就是你的通訊被監聽了，而你自己卻不曉得。
莫非不是嗎？
Part.4量子隱型傳態
接出來，我們來談談量子通訊的另外一種形式——“量子隱型傳態”。
假如說，量子秘鑰分發只是量子熱學應用于精典通訊的一個小應用（加了把量子鎖），那量子隱型傳態，就是“真正”的量子通訊了。
解釋量子隱型傳態之前，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，要么0，要么1，所有的估算都根據精典的化學學規律進行。
但量子比特和精典比特不同。
量子信息植根于量子化學學，一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態。
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。
并且須要強調的是：一個量子比特只富含零個精典比特的信息。
由于一個精典比特是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，或則只能取1，它的信息量是零個精典比特。
▋量子糾纏
量子熱學中最神秘的就是疊加態，而“量子糾纏”正是多粒子的一種疊加態。
一對具有量子糾纏態的粒子，雖然相隔極遠，當其中一個狀態改變時，另一個狀態也會即刻發生相應改變。
比如，糾纏態中有一種，無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處于0態時，B粒子一定處于1態；反之，當A粒子處于1態時，B粒子一定處于0態。
是不是想到了蟲洞？
這些跨越空間的、瞬間影響雙方的“量子糾纏”，以前被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”(a)。
愛因斯坦借此來指責量子熱學的完備性，由于這個超距作用違背了他提出的“定域性”原理，即任何空間上互相影響的速率都不能超過光速。這就是知名的“EPR佯謬”。
高手之間的對決
后來，化學學家玻姆在愛因斯坦的“定域性”原理基礎上，提出了“隱變量理論”來解釋這些超距互相作用。
不久化學學家貝爾提出了一個不方程，可以來判斷量子力學和隱變量理論誰正確。假如實驗結果符合貝爾不方程，則隱變量理論勝出。假如實驗結果違背了貝爾不方程，則量子熱學勝出。
然而后來一次次實驗結果都違背了貝爾不方程，即都否認了量子熱學是對的，而隱變量理論是錯的。
2015年，丹麥化學學家做的最新的無漏洞貝爾不方程檢測實驗，基本宣告了愛因斯坦定域性原理的死緩。
▋量子隱型傳態
理解了量子糾纏，我們就可以理解“量子隱型傳態”了。
因為量子糾纏是非局域的，即兩個糾纏的粒子無論相距多遠，檢測其中一個的狀態必然能同時獲得另一個粒子的狀態，這個“信息”的獲取是不受光速限制的。于是，化學學家自然想到了是否能把這些跨越空間的糾纏態拿來進行信息傳輸。
為此，基于量子糾纏態的量子通信便應運而生，這些借助量子糾纏態的量子通信就是“量子隱型傳態”（）。
量子隱型傳態的過程（即傳輸合同）通常分如下幾步：
（1）制備一個糾纏粒子對。將粒子1發射到A點，粒子2發送至B點。
（2）在A點，另一個粒子3攜帶一個想要傳輸的量子比特Q。于是A點的粒子1和B點的粒子2對于粒子3一起會產生一個總的態。在A點同時檢測粒子1和粒子3，得到一個檢測結果。這個檢測會使粒子1和粒子2的糾纏態坍縮掉，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）把自己的檢測結果告訴B點一方。
（4）B點的一方收到A點的檢測結果后，就曉得了B點的粒子2處于那個態。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。也就是粒子3攜帶的量子比特無損地從A點傳輸到了B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量子隱型傳態的方式，即通過量子糾纏把一個量子比特無損地從一個地點傳到另一個地點，這也是量子通信目前最主要的形式。
須要注意的是，因為步驟3是精典信息傳輸并且不可忽視，因而它限制了整個量子隱型傳態的速率，促使量子隱型傳態的信息傳輸速率未能超過光速。
由于量子估算須要直接處理量子比特，于是“量子隱型傳態”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，未來量子隱型傳態和量子計算機終端可以構成純粹的量子信息傳輸和處理系統，即量子互聯網。
這也將是未來量子信息時代最明顯的標志。
注：上述過程描述文字直接引用了互聯網文章《獨家揭密：量子通訊怎樣做到“絕對安全”？》（張文卓中國科大學量子信息與量子科技前沿卓越創新中心、中國科學技術學院蘇州研究院）
Part.5量子通訊的發展