## 量子力学20：量子通信祛魅

怎么才能把量子力学的神奇性质应用到日常生活中，科学家可谓是煞费苦心。当然原则上只要用到原子的东西，像原子钟、激光、半导体芯片这些应用，都默默地用到了量子力学 —— 但它们并不叫“量子钟”“量子光”“量子芯片”，因为它们没有直接使用像量子纠缠那样的性质。对比之下，民间流行的那些打着量子旗号的神秘产品，什么量子波动速读、量子鞋垫、量子挂坠，全都是伪科学。

你要知道制备一对相干的光子在技术上有多难，就不会相信那些东西了。量子力学中有个技术叫“量子隐形传态（Quantum teleportation）”，原则上可以把一个量子态完美地复制到遥远的地方而不需要时间。有人据此说量子技术可以像《星际迷航（Star Trek）》电影里那样，把一个人瞬间隔空传输到另一个城市，这也是胡说。你要知道，量子隐形传态现在最多只能传递几个粒子 —— 的量子态 —— 而不是物质本身，而且它本质上就是量子纠缠，并不能做到超光速的信息传递。

而在中国引起强烈关注的“量子通信”，则是一个真技术。因为中国在量子通信上的领先地位，有人说量子通信能改变世界，甚至是“第四次工业革命”的一部分 —— 但是也有人认为量子通信没啥用。我看很多争论是因为人们不了解原理胡乱猜，这一讲我们来看看量子通信的底层原理，相信你自己就能做出判断。

这里面有个精妙的想法。

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量子通信要用到量子纠缠，而我们已经一再强调，量子纠缠本身并不能传递信息。我们设想有一对纠缠的光子，分开很远，两个人各自测量一个。根据约定俗成的习惯，他们一个叫爱丽丝（Alice），一个叫鲍勃（Bob）。爱丽丝和鲍勃选定了一个共同的空间方向，0 度角，一起测量各自光子的偏振态。

光子原本是处于“水平”和“垂直”两种偏振的叠加态，而根据“鬼魅般的超距作用”，任何一个人的测量，都会让两个光子的波函数一起坍缩。如果爱丽丝测量到自己这个光子是处于水平态，她立即就可以得知，鲍勃那边测量的也是水平态。而你知道爱丽丝并不能用这个方法向鲍勃传递信息，因为她无法控制测量结果！水平态还是垂直态的结果是完全随机的，两人只是共同收听了一个信息，就好像他们都看到世界杯现场直播进球了，但是进球这个信息不是他俩能决定的。

但是这个共同收听到的信息也很有用，可以用来做密码本。只要爱丽丝不断地制造纠缠光子对，自己记录一个鲍勃记录一个，水平态就记为“0”、垂直就是“1”，两人就有了一大串共同的、而且是随机的“0100011001111……”这样的字符。做一个简单的转换，这段字符就可以代表比如说 [1]“把这个字母向前走4位、向前走6位、向前走7位……”这么一个加密解密操作，这就是两人共同的密码本。

有了密码本，爱丽丝就可以把自己想说的话按照这个操作加密。她再通过普通的渠道，比如说发微信或者发邮件，把加密的信息传递给鲍勃，鲍勃收到再用同一个密码本解密。因为密码本中的操作是完全随机的，而且二人只用一次，这就是一次绝对不可能被破译的保密通信。

密码本是“收听”来的，量子纠缠只允许收听，真正的消息需要另外的、传统的、不超光速的方式传递，这一点非常重要。这就是量子通信的核心思想。量子通信是个收听密码本 —— 而不是传递消息 —— 的方法，学术上叫做“量子密钥分发”。

但是实际操作不能这么简单，因为鲍勃无法确认它收到的光子是不是跟爱丽丝纠缠的。他们还需要一个验证机制。

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最早的量子密码分发协议是1984年查尔斯·贝内特（Charles Bennett）和吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）发明的，现在叫“BB84协议”。我们这里说一个牛津大学亚瑟·埃克特（Artur Ekert）1991 年发明的协议，叫“E91”，其实所有这些协议的本质都差不多。

为了验证纠缠，爱丽丝和鲍勃要时不时地改变一下测量方式。本来两个人都是在 0 度方向上测量光子的偏振，现在爱丽丝要随机地选择一些时候，在比如说向右偏转 30 度的方向上测量，鲍勃则是随机地选择一些时候在向左偏 30 度的方向上测量。这就相当于我们前面说的“戴眼镜观察乒乓球”，我们知道，只要二人中有一个人偏转了，他们的测量结果就对不上。

对不上没关系，爱丽丝可以跟鲍勃打个电话，告诉他，自己只在比如说第 1、2、5、8、9、11、12、13、17、……这些次的的测量用的是 0 度角，其他时候用的是右偏 30 度；鲍勃则告诉爱丽丝，自己只有在第 2、3、4、6、8、10、11、12、16、17、……这些次的测量用的是 0 度角，其他时候用的是左偏 30 度角。不管怎么随机，总会有一些时候，两人用的都是 0 度角，那些测量还是能对上的。这么一比对，两人知道，第 2、8、11、12、17 这些次的测量，两人都是用的 0 度角，他们的读数应该是一样的 —— 这些读数就是共同的密码本。

这么做的好处是能验证量子纠缠，而且不怕窃听。

爱丽丝跟鲍勃打的这个电话是不怕窃听的，哪怕公开都没关系。这是因为两人这里交流的只是观测位置，而不是观测结果，观测结果只有二人自己知道。

那二人使用的那个量子纠缠的光子，会不会被人 —— 按照习俗这个人叫伊芙（Eve）—— 给拦截了呢？拦截了也就拦截了。光子一旦遭遇拦截就被吸收了，信号中断，而任何通信都有可能被敌人阻断，这没办法。真正需要担心的是伊芙会不会一边拦下爱丽丝发来的光子，一边给鲍勃发一串“假”光子，让鲍勃不知道信号已经被第三方复制了，这也就是“窃听”。

但是伊芙发射的光子不会跟爱丽丝的光子纠缠！只有来自同一个源的两个光子才能纠缠。只要鲍勃和爱丽丝确保两人收到的光子是纠缠的，他们就知道没有被窃听。那他们怎么知道呢？

那当然是贝尔定理。两人可以随时比对一下在二人都使用了偏转角度测量的时候，那些测量结果的协调程度，是否违反了贝尔不等式，就知道有没有量子纠缠了。

这就是量子通信的好处：它不可能被窃听，具有绝对的保密性。

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要在技术上实现这一切，特别是远距离传输保持纠缠态而没有发生退相干的光子，是非常困难的。美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助，在 2004 到 2007 年之间，哈佛大学和波士顿大学等地连接起来，建成了一个量子通信网络。欧洲在 2008 年、中国在 2009 年都建成了量子通信网络。特别是中国科大潘建伟的组做成了世界最长的量子通信线路，而且还实现了卫星传递，可以说是世界最强。

但你要说量子通信是像人类发明蒸汽机、电力、计算机一样的“第四次工业革命”，能改变世界，那我看就是言过其实了。量子通信解决的问题仅仅是保密而已。信息的加密解密在历史上曾经起到过重要作用，二战时候动不动就是英国破解了德军密码、美国破解日军密码的故事，但是今天，密码并不是问题。

今天的人们使用数学家发明的“公共密钥”，并不需要专门传递一个什么密码本。你听说过现代有什么破译了密码的事情吗？公共密钥体系是一套软件，但是是一个非常安全的系统，因为它依靠的是数学！现在你让一个本来就十分安全的东西变得绝对安全，这叫改变世界吗？

现代真实场景中的泄密可以发生在各个环节，最常见的还是间谍、是人犯了错误、是人的疏忽，而不是技术问题。加密技术是保密环节的长板，而不是短板。

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很多人推崇量子通信是因为公共密钥体系有可能会被“量子计算”给破解掉。现在最广泛使用的公共密钥叫“RSA”，这个系统之所以安全，是因为它是基于两个超大质数的乘积。把大数字相乘，这个运算对计算机很容易，但是有了乘积让你把它分解成那两个大质数，对现有的“经典”计算机非常困难 —— 加密容易解密难，靠的就是这一点。但是即将出现的量子计算机，又恰好特别擅长分解质因数，那这不正好用来解密吗？

所以这个逻辑是量子计算机将是现有加密方法的威胁，而为了应对这个威胁，我们必须抛弃 RSA 体系，使用量子通信，确保绝对的保密。

也就是说，量子计算可能会改变世界，量子通信的作用是确保世界不被改变。

但是这个逻辑也是不成立的。根据最乐观的估计，量子计算的确有可能在五年之内威胁到 RSA 的安全性。可是数学家并不是只有 RSA 这一种加密方法！有很多加密方法即使在理论上，也不怕量子计算机。“后量子时代”的加密算法已经出来了，美国国家标准技术研究所（NIST）正在评估的，就有 69 种 [2]。

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量子通信是一个精巧的、理论上能绝对保密的、分发密码本的方式，但是真谈不上改变世界。能把相干态传输那么远，这个技术本身很厉害，但是要想改变世界，我们必须发掘它别的用处。

### 💡 精华要点
- 量子通信是一个精巧的、理论上能绝对保密的、分发密码本的方式，但是真谈不上改变世界。
- 量子计算可能会改变世界，量子通信的作用是确保世界不被改变。

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