什么是量子通信？

现在，假如你作为一位人类星际舰队司令员，不幸地遇到了外星生命对地球的攻击。外星生命舰队与地球舰队力量不相上下，但是，外星生命的数学水平远超我们，他们轻而易举地破解了地球通信的经典加密算法，但我们却无法反制。最终，地球防卫失败，全人类灭绝。虽然这只是一个想象，但是不难发现，通信在文明发展中起着至关重要的作用，通信的加密必不可失。

 所以，不妨让我们先看看一次经典的加密通信是如何实现的。

假设Alice要向Bob加密通信

首先，Alice写好需要传递的信息母本，即明文。

Alice通过加密算法，即密钥，将明文编制为密文

之后，要将密文传输给Bob

Bob利用解密算法（加密算法的逆运算）还原密文，得到明文。

不难发现，在加密通信的过程里，密钥至关重要。一旦密钥被破解，所有信息都将被窃取。密钥最初只是单一的密码，著名的凯撒密码就是如此，

然后是密码本，后来是密码机，再后来就是RSA等加密算法。加密算法出现时，因为人和机器的算力有限，所以破解一个算法很慢，难度很大，时间很长。

但是在计算机、超级计算机问世后，机械算力越来越强大，破解算法的速度也越来越快——

RSA512算法在1999年就被破解；RSA768在2009年被破解；MD5和SHA-1两大密算也已告破……在这样的情况下，将没有绝对安全的密钥。

在可以预见的未来，所有经典密钥都将失效。那如何才能实现绝对安全的加密通信呢？信息论创始人，通信科学的鼻祖，伟大的

克劳德·香农

先生，总结提出并严格证明了“无条件安全”的条件：1.密钥真随机且“只使用一次”；2.与明文等长且按位进行二进制异或操作 

但是，这种操作巨大的缺陷——需要海量密钥且密钥的更新与分配难以保证安全。此时，量子力学解决了这个缺陷。

量子，顾名思义，即能量子。对于一个物理量，能表现出其物理量特性的最小单元就是量子。例如，光由光子组成，光子就是光的量子。1900年12月14日，普朗克发表了《关于正常光谱的能量分布定律》,其中提出一个重要结论：

能量由确定数目的、彼此相等的、有限的能量子构成。

量子具有不可分割性与不可克隆性，这些性质就是量子通信的基石。

  量子通信分为两种技术，

“量子密钥分发”

与

“量子隐形传态”，

“量子密钥分发”利用量子的不可克隆性，对信息进行加密，解决密钥缺陷。而“量子隐形传态”是利用量子的纠缠态，来传输量子比特，从传输方面加密。

 先来看看“量子密钥分发”(Quantum key distribution，QKD)。针对密钥的保密问题，QKD分两步进行：

在量子信道分发量子密钥

，即通过量子手段传输一次性的量子密钥;

在传统信道传输密文

，即把用确认后的量子密钥加密的密文传输给对方。接下来，我们以BB84算法为例看看QKD是如何工作的。

  BB84利用光的偏振态来传输信息。我们知道，单光子源可以发出单个光子，光子的偏振方向由两种互相垂直（正交）的偏振方向决定，光子的实际偏振方向是这两个偏振方向的叠加。考虑最简单的情况，光子的偏振方向可以是0°、45°、90°、135°。我们可以简单选取“水平垂直”或“对角”的测量方式（

测量基

），对单光子源产生的单光子进行测量。

如果测量基与光子的偏振方向一致，则能够准确的测得光子的偏振方向。例如，我们以“水平垂直”的测量基测量0°或90°偏振的光子，则可以确定得到光子偏振方向为0°或90°，记作1或0；但若是以“水平垂直”的测量基测量45°或135°偏振的光子，则有50%的概率测得0，有50%测得1，这是不准确的测量。

了解了背景知识，我们来看看具体操作流程。

首先，发送方A随机生成一段

经典比特

，如：10010011010……（64bits），对这一段比特的每一位，我们随机选择测量基并根据测量基发送对应偏振态的光子。如对第一位 1 ，我们取“水平垂直”的测量基，则发送0°偏振方向的光子；对第二位 0 ，我们取“对角”的测量基，则发送135°偏振方向的光子。这样我们就发送出了一组光子，注意，光子的发送在量子信道进行。

接下来，接收方B接收到光子，也随机选择测量基测量每一个光子，得到一段经典比特。虽然B有可能选择到与A完全相同的测量基，但这种概率是非常小的。因此我们需要接下来的一步操作。此时，A与B在经典信道上彼此公开双方测量基的选择情况。通过比对，A可以告诉B哪些测量基的选择是双方一致的。之后，选择相同测量基对应位置的比特，组成新一段经典比特。这样就得到了初始的密钥。

但是，为了防止窃听，B会在初始密钥中随机选出一部分比特，并在经典信道上与A比较。我们知道，由于光量子的不可克隆性与不可分割性，窃听者C只能抢在B之前测量光子。而所谓测量，实际上就是通过与测量对象的交互，得到测量对象的信息。因此，测量会影响测量对象的状态。那么，问题来了，如果C去测量刚才那一组光子，他有一半的概率和A选择一样的测量基（光子偏振方向无影响），还有一半的概率，会导致光子改变偏振方向（偏45°）。一旦光子测量方向改变，那A与B比较经典比特时就会出现不同，这时就会发现窃听者的存在。也就是C只有25%的n次方（n为比较的经典比特数）的概率不被发现。

通过计算，仅仅25%的10次方就达到了9.53674316×10^-7。也就是说，窃听者不被发现的概率是极低的。若未发现窃听者，则最终确定的密钥就是初始密钥去掉公开比较的部分剩下的一段比特。这样的方式就保证了“一次一密”的通信要求。但是，这也出现了一个弊端，一旦出现窃听者，通信只能被迫中断，无法反制，只能借助量子特性来计算在现实中窃听者的位置，才能实际反制。

而“量子隐形传态”的出现消除了被窃听的可能。在了解“量子隐形传态”之前，我们先来学习此技术的基础

“量子纠缠”

与

“量子比特”

。

不同于经典比特的二进制，量子比特实际上是0与1的叠加态。形象上理解的话，量子比特就是两个向量|0>与|1>的合成。

而量子纠缠可以理解为多粒子的叠加态。

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质就称为量子纠缠。

通俗的来类比一下，现在有两个完全密闭的容器A与B，容器里各有一部分水，两个容器里的水是1L，但是没人知道两个容器中各有多少水。此时，这两部分水的体积的叠加态就是1L，而各部分水的实际体积就是它的本征值。只有当你打开一个容器,如A，一测量，你知道A这部分水是0.7L了，那另一部分B的水的体积就呼之欲出了。

所以，量子纠缠并不能够传递信息，并不是如爱因斯坦所说的“鬼魅的超距作用”。当一个量子的状态确定，另一个量子的状态也同时确定，这之间并不存在信息的传递。

现在可以开始“量子隐形传态”的学习了。“量子隐形传态”分为如下几步：

首先制备一对纠缠粒子对A与B，分别将A与B传输至通信的两端。

然后制备一个中介粒子C，C上储存着一个需要传输的量子比特。

然后同时测量A与C，获得它们的状态信息。这一测量会使A与B之间的纠缠态坍缩，而A与C会形成新的纠缠粒子对。

此时，通过经典信道将A、C测量结果发送给接收方。通过B可以知道A的测量前状态，再结合A、C的测量结果，通过一系列量子计算，我们便可以还原C的状态，得到需要传输的量子比特。

仿照前文的类比，我们有着总体积为1L的A、B两部分水。引入另一部分水C，C的水的体积是确定但对于非通信对象是未知的。我们将A的水全部倒入C中，测得A、C总共有1.2L水，此时A、C成为了一个整体，而A、B间的纠缠态就坍缩了。然后告诉接收方A、C一共1.2L。接收方一测量B，知道B是0.3L水，那A一开始就是0.7L，C则是0.5L。此时C的体积作为信息就传输完成了。

在这一操作中，A与B就发挥着密钥的作用。

因为量子计算需要直接处理量子比特，于是“量子隐形传态”这种直接传的量子比特传输将成为未来量子计算之间的量子通信方式，未来量子隐形传态和量子计算机终端可以构成纯粹的量子信息传输和处理系统，即

量子互联网

。

回望过去，1993年，美国科学家贝内特首次提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。1997年，奥地利塞林格小组在实验室内首次完成量子态隐形传输的原理性实验验证。2012年，中国科学家潘建伟等人首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。2016年8月16日，世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射。2017年7月13日，世界首个大型商用量子通信专网在济南测试成功。2017年，全球首条量子通信“京沪干线”建成。…… 

展望未来，随着量子信息论和实用技术的发展，未来的量子计算和量子通信必将极大地推动人类社会的发展进步。

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