我所理解的量子通讯技术

[寂默心流]

　　最近这个领域非常热，因为量子计算机发展非常快，计算能力有着耸人听闻的革命性提高，这使以往基于大素因子分解的加密算法面临土崩瓦解的重大危机，所以发展出一个能克制量子计算机破译能力的加密通信技术迫在眉睫，这个时候量子通讯技术应运而生，正可谓以毒攻毒，量子破量子。

　　但目前网上量子通讯方面的资讯很乱，其中一个重要原因就是目前这个领域事关国家安全，国家间的竞争太激烈，所以有关科学家们都在夜以继日地拼搏，他们不可能花时间来给大家写科普文章，而网上大量这方面的文章都是由非直接相关的专业人士写的，甚至还混入了不少民科发言，这就更乱了。而且很多文章把量子密钥分发和量子隐形传态两种东西混淆了，更是把人搅得如坠五里云雾之中，怎一个郁闷了得。

　　量子密码的概念是1984年就成熟了，并形成了BB84的量子密码协议，目前已形成工业化，在很多城市得到了应用。这就是量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD）技术。它的要点是把光子随机用上下、左右、左上右下和左下右上共4种方式起偏，到达目的地后随机用四种检偏方式检偏，如果用错了检偏方式，就会得到不对的结果，然后把检偏后得到的结果告诉发送方，发送方通知接受放哪些检偏器用错了，于是留下那些用对了检偏器的检偏结果，这就形成只有双方知道的0101数字串作为秘钥串用于双方加密。如果有人窃听，在途中用检偏器检偏过光子就会改变光子的状态，从而大大增加误码率，暴露窃听的存在，于是传输双方可以选择那一次没有误码率的传输结果作为秘钥使用，这种方式可以实现便捷的“一次一密”的不可破解的加密方式，以确保在量子计算机恐怖破解能力压迫下的信息安全。

　　然而现在真正大热的却是量子隐形传态技术，这才是真正的高科技，也是网上一再宣传的中国领先技术。做出最大贡献的是潘建伟院士，浙江东阳1970年生人，佩服啊！这个技术建立在纠缠态量子对的超距作用上。也就是说处于纠缠态的一对量子，就算分搁再远，哪怕隔着整个宇宙930亿光年的距离，只要其中一个量子被测量后塌缩，显示了一个状态，那么隔得很远的另一头的另一个量子会同时塌缩成一个相反的状态，这里面有什么原理，至今还是一个迷，我认为大概在3维空间里两个量子相隔很远，而在高维的空间里它们从来也未曾分开吧，就像如果我们把氢分子的两个原子理解为处于纠缠态的量子对的话，那么三维空间中氢分子的转动投影在由XYZ三个轴分别组成的三个二维空间时，就可以表现为这一对纠缠量子分开了很长的距离。由于这个超距作用不存在信息和物质的传输，所以不能认为物质和信息的传播速度已经超过了光速，保住了量子力学和相对论的兼容。

　　量子隐形传态技术就是事先将形成纠缠态的量子对分别放在两处，传输地A（业内称Alice），接受地B（业内称Bob），如果要将量子X的状态从A地传给B地，那么就对A处的纠缠态量子和量子X做联合Bell基测量，两个量子都塌缩，同时放在B处的另一个纠缠态量子也会塌缩，接着A处把塌缩的结果告诉B，B根据该结果对本地已塌缩的量子进行幺正变换，就得到了量子X的状态。由于需要把A的塌缩结果通过经典信道传到B地，所以这种量子通讯的技术也不能突破光速。目前已实现单量子的多自由度隐形传态。那么怎么把纠缠态的量子对分放两处呢，这就语焉不详，涉及核心机密了，比如冷态粒子保存等等。7月份我国要发射量子通信试验卫星，上面搭载了量子纠缠源和量子纠缠发射机，并将进行星地链子隐形传态试验，另外，还要地面相隔千公里的光学站建立量子光链路。这些说明我国在量子通信方面已经处于世界领先水平。

　　我看到一个Bell不等式验证的技术可能可以用在产生异地纠缠态量子对上，那就是在两地分别用激光激发钻石中的电子，会同时发出一个和该电子处于纠缠态的光子，通过光纤把两地产生的光子同时传到一个地方进行干涉，如果形成某种干涉，那么同时两地的电子也就形成了纠缠态。这就像如果两个全权信使沟通顺利，那么两个主子也就成了好朋友一样。

　　当我们制备、发射和保存纠缠量子对的技术，以及观测和检测塌缩结果的技术足够稳定和高效，放置在Ａ、Ｂ两地的纠缠量子对足够多后，完全可以用控制观测Ａ地纠缠态量子的时间间隔来向遥远的Ｂ地发送莫尔斯电文，由于这个超距作用中完全没有物质和信息的传递，于是第三方没有任何办法能够截获信息，也没有任何办法实施干扰，所以即便Ａ、Ｂ两地间明文传送也完全没有泄密的问题。那这是不是就实现了超光速的量子通信呢？还不是，虽然发送量子莫尔斯电文是可以大大超越光速的，但形成两地足够多的纠缠态量子对却是没法超越光速的，这很遗憾。但这种通信的实现后的用途还是非常大的，比如星际探索，一个先遣队乘亚光速飞船花了几十年时间到达太阳系外的宜居行星后，如果用常规的手段发回信息，且不说信号能否顺利传回，那滞后就有几十年之久，几番对话下来几百年过去了。如果这个先遣队带的是量子莫尔斯电文通讯器材，他们到达后就可以接近实时地和地球取得联系，这可以节省几百年时间！

　　这是一个量子力学初创时期日新月异大发展以来的又一个突飞猛进的时代，大家赶上了！



　　

[寂默心流]

　　对于纠缠态量子对的超距作用问题，我的想法是可能在我们三维空间看起来相隔很远的量子对在高维空间里并没有分开，就好像如果我们把氢分子的两个原子理解为纠缠态的量子对的话，那么三维空间中氢分子的转动投影到二维空间里就可以表现为这一对氢原子分开了很长的距离，而实际上它们在三维空间里并未分开。

[寂默心流]

　　今年的图灵奖颁给了发明BB84协议，发展量子隐形传态的“美国物理学家、IBM研究员查尔斯·贝内特和加拿大计算机科学家、蒙特利尔大学教授吉尔·布拉萨德，以表彰他们在奠定量子信息科学基础，以及推动安全通信和量子计算发展方面作出的开创性贡献。”