四問量子通信

制圖：張芳曼

　　打個電話，會不會被竊聽？通過網絡傳送一份保密檔案，途中被他人竊取咋辦……現代社會，資訊安全面臨的問題越來越多。

　　有沒有一種不可破譯的保密方式，能讓傳送的資訊絕對安全可靠？近些年來，量子通信技術的飛躍發展正讓夢想成為現實。

　 　　　　　　

　　一問：什麼是量子？

　　量子是光子、質子、中子、電子、介子等基本粒子的統稱，是能量的最基本攜帶者

　　量子是實體世界裡最小的、不可分割的基本單元，是能量的最基本攜帶者。它是光子、質子、中子、電子、介子等基本粒子的統稱。可以說，整個世界都是由量子組成的。比如，日常生活中的光，就由大量光量子組成。

　　量子有不同于宏觀實體世界的奇妙現象，其中最為著名的就是量子疊加和量子糾纏。

　　“量子世界跟宏觀世界最大的差別，就是量子有多個可能狀态的疊加态。”中科院量子資訊與量子科技創新研究院、中國科學技術大學上海研究院副研究員張文卓說，“這種現象在宏觀世界裡是存在不了也無法維持的。在宏觀的經典世界裡，1就是1，2就是2。而在微觀的量子世界中，一個狀态可以存在于1和2之間，它既不是1，也不是2，但它既是1，又是2。”

　　“打個比方吧，這就好比孫悟空的分身術。一個孫悟空可以同時出現在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加态。”中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉解釋道，“在日常生活中，一個人不可能同時出現在兩個地方。但在量子世界裡，作為一個微觀的客體，它能夠同時出現在許多地方。”

　　而所謂量子糾纏，也是量子疊加的一種表現，是指兩個處在糾纏态的量子一旦分開，不論分開多遠，如果對其中的一個粒子測量，另一個粒子就會立即發生變化，且是不需要時間的變化。

　　“這兩個糾纏在一起的量子就好比是一對有心電感應的雙胞胎，不管兩人距離多遠，千公裡量級或者更遠，隻要當其中一個人的狀态發生變化時，另一個人的狀态也會跟着發生一樣的變化。愛因斯坦稱之為‘幽靈般的超距作用’。”潘建偉說，“量子糾纏所展現的這種非定域性是量子力學最神奇的現象之一。”

　　二問：什麼是量子通信？

　　量子通信是利用量子力學原理對量子态進行操控的一種通信形式，可以有效解決資訊安全問題

　　近年來，随着量子的各種奇妙特性被科學家不斷認識，實用的新技術也被逐漸開發出來，量子通信就是其中之一。

　　量子通信是量子資訊學的一個重要分支，它利用量子力學原理對量子态進行操控，在兩個地點之間進行資訊互動，可以完成經典通信所不能完成的任務。量子通信是迄今唯一被嚴格證明無條件安全的通信方式，可以有效解決資訊安全問題。

　　張文卓說：“通常來講，量子通信分為兩種，一種是量子密鑰分發；另外一種是量子隐形傳态。前者是利用量子的不可複制性以及測量的随機性來生成量子密碼，給傳統的數字通信加密；而後者則是利用量子糾纏直接傳送量子比特。量子隐形傳态是為了給未來的量子計算機之間的通信使用。”

　　那麼，量子密鑰分發是如何生成量子密碼來給傳統的通信加密的？

　　“假如，資訊發送者甲想和資訊接收者乙共享量子密碼。首先，發送者甲需要把一個個獨立的單光子發送給乙，一邊發一邊随機地選擇單光子的狀态，并把自己的随機選擇方式記錄下來。同時乙也需要把收到的光子随機地測量一遍，然後把每個測量方式通過經典通信方式告訴甲。”張文卓說，“接下來，甲把乙的測量方式和自己的随機選擇方式做對比，保留測量方式相同的光子，去掉不同的。留下的這些光子的測量結果，就構成了量子密碼。然後，乙就可以依據這些密碼打開保密資訊。”

　　量子隐形傳态又是如何利用量子糾纏直接傳送量子資訊的？

　　同樣是資訊發送者甲和接收者乙。這次不是共享密碼了，而是要發送包含量子資訊的光子a。

　　張文卓說：“首先得制備出一對處在量子糾纏态的光子b和c，把b交到發送者甲手裡，把c給接收者乙‘拿着’。然後，甲通過自己手中的光子b和這個想要發送的光子a一起做測量，并把測量方法告訴乙。乙再通過這種方法測量手中的c，這時的c已經擁有了與a同樣的量子資訊态。”

　　張文卓進一步解釋：“也就是說，我們并不需要真的傳遞光子a本身，而是把它的量子态精确傳送過去。量子隐形傳态利用量子糾纏，接收者乙在擁有糾纏态的光子和發送者甲的測量方法後，可以制造出原物的完美複制品。”

　　三問：為何保密性高？

　　量子具有測量的随機性和不可複制的特性，幾乎不可能被破譯

　　以往用微電子技術為基礎的計算機技術傳遞資訊極易遭遇竊聽。

　　“因為傳統通信的密鑰都基于非常複雜的數學算法，隻要是通過算法加密的，人們就可以通過計算進行破解。而量子通信則可以做到很安全，不被破譯和竊聽，這在數學上已經獲得了嚴格的證明。”張文卓說。

　　這種“很安全”是如何實作的？這就要說到在講量子密鑰分發時提到的量子的另外兩個特性——測量的随機性和不可複制。

　　什麼是量子測量的随機性？

　　張文卓說：“在量子力學裡，光子可以朝着某個方向進行振動，叫做偏振。因為量子疊加，一個光子可以同時處在水準偏振和垂直偏振兩個量子狀态的疊加态。這時，如果你拿一個儀器在這兩個方向上進行測量，就會發現，每次測量都隻會得到其中一個結果：要麼是水準的，要麼是垂直的。測量的結果完全随機。”

　　而在日常的宏觀世界裡，一個物體的速度和位置，一般是可以同時準确測定的。比如飛機來了，雷達就可以把飛機的速度、位置都準确測定。

　　“但在量子世界，測量會破壞或改變量子的狀态。如果我們把一個量子的位置測準了，它的速度就測不準了。”張文卓說。

　　既然測量量子的狀态會出現随機的結果，那麼人們自然也無法對一個不知道其狀态的量子進行複制，這就是量子不可複制的特性。

　　利用這兩個特性，量子通信也就保證了安全。“在量子密碼共享或量子态傳遞過程中，如果有人竊聽，它的狀态就會因竊聽（測量）發生改變，密碼接收的誤碼率會明顯增加，進而引起發送者和接收者的警覺，而停止該信道的發送。如果竊聽者一直在這個信道存在，可以換一個沒有發現竊聽者的信道重新發送。”張文卓說，“因為能及時發現竊聽者，加上量子的不可複制也使得竊聽者無法采取資訊複制的方法來獲得合法使用者的資訊，是以，量子通信具有很強的保密性。”

　　四問：能否取代傳統通信？

　　這是兩種不同的通信形式，量子通信是為了讓傳統的數字通信變得更安全

　　量子通信既然這麼厲害，那未來會不會取代傳統通信？

　　張文卓說：“實際上，量子通信的目标并不是要把傳統的數字通信給取代掉。比如量子密鑰分發，它本身是為了讓傳統的數字通信變得更安全，并不能獨立存在。而量子隐形傳态則完全取決于量子計算機的發展。隻有未來所有的經典計算機都被量子計算機取代了，才完全會用這種通信方式。但問題是，量子計算機和傳統計算機就好比核武器和正常武器，是不可能完全取代彼此的。未來應該是量子通信和傳統通信一起建構天地一體化通信網絡。”

　　量子通信事關國家資訊和國防安全，這個戰略性領域已經成為發達國家優先發展的資訊科技和産業高地。

　　美國對量子通信的理論和實驗研究開始較早，并最先将其列入國家戰略。歐盟則着眼于合力建構量子網際網路，2015年釋出《量子宣言》，計劃啟動10億歐元用于推動量子通信和量子技術的發展。日本也制定了量子資訊技術長期發展路線圖。

　　雖然在全球量子通信競賽中，中國起步并非最早，但是在科學家們的不懈努力下，目前中國在量子通信領域已經實作了“彎道超車”。

　　潘建偉團隊在2007年首次實作安全通信距離超過100公裡的光纖量子密鑰分發，2016年又将最安全距離提高到400公裡；2016年中國發射全球首顆量子科學實驗衛星；2017年世界首條量子保密通信幹線——“京滬幹線”正式開通……潘建偉表示，希望到2030年左右，能建成全球化的廣域量子通信網絡，并在量子計算領域有所作為。

原文釋出時間為：2018年01月23日

本文作者：吳月輝

本文來源：

人民網

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