量子通信：知我者唯你

張文卓

1876年，貝爾發(fā)明了電話，從此人類可以利用導(dǎo)體中的電流來傳輸信息。1966年，華人物理學(xué)家高錕發(fā)明了光纖，隨后激光光纖通信逐漸取代電流，成為了人類目前主要的有線通信手段。

英國著名物理學(xué)家麥克斯韋在1865年整合了前人的電磁學(xué)定律，提出了名垂史冊的麥克斯韋方程組，并據(jù)此方程組預(yù)言了電磁波的存在。1887年，德國物理學(xué)家赫茲在實驗中發(fā)現(xiàn)了電磁波。在隨后的10年里，意大利的馬可尼、俄羅斯的波波夫和美國的特斯拉各自實現(xiàn)了電磁波的通信。馬可尼的團(tuán)隊更是勇敢地將電磁波發(fā)射上天空，實現(xiàn)了橫跨大西洋的電磁波通信。今天電磁波成為了人類最主要的無線通信手段。

1947年，伴隨著美國物理學(xué)家肖克萊、巴丁、布拉頓發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，人類可以使用微小的半導(dǎo)體來處理信息。10年后，德州儀器公司的基爾比和英特爾公司的創(chuàng)始人諾伊斯（肖克萊在硅谷成立公司時招募的第一批員工）在此基礎(chǔ)上制造出了集成電路，成為當(dāng)代各種計算機(jī)和電子設(shè)備的核心。晶體管和集成電路的問世，標(biāo)志著人類全面進(jìn)入了信息時代。肖克萊和諾伊斯也順理成章地成為硅谷之父，正是他們的發(fā)明讓我們今天能用上各種各樣的計算機(jī)和數(shù)碼產(chǎn)品。

但是這次信息革命是屬于“經(jīng)典信息”的革命，即信息傳輸和信息處理都符合經(jīng)典物理學(xué)定律。即使我們必須用量子力學(xué)才能理解半導(dǎo)體和激光的本質(zhì)和工作原理，我們用半導(dǎo)體器件所處理的還是經(jīng)典的二進(jìn)制信息（即0和1，叫做經(jīng)典比特）。同樣，無論我們用有線的光纖或?qū)Ь€，還是用無線的手機(jī)信號或Wi-Fi，我們傳輸?shù)囊捕际墙?jīng)典信息。

隨著“量子信息科學(xué)技術(shù)”的誕生，第二次信息革命在向我們招手，這將是一次完全屬于“量子信息”的革命，信息傳輸和計算都將直接基于量子物理學(xué)?！傲孔油ㄐ拧弊鳛榕蓬^兵，走在了這次信息革命的最前面，成為本輪信息革命的第一個突破點(diǎn)。

量子通信按照所傳輸?shù)谋忍仡愋?，可分為“量子密鑰”和“量子態(tài)傳輸”兩個方向。其中“量子密鑰”使用量子態(tài)不可克隆的特性來產(chǎn)生二進(jìn)制密碼，可為經(jīng)典比特建立牢不可破的量子保密通信。目前量子保密通信已經(jīng)步入產(chǎn)業(yè)化階段。而“量子隱形傳態(tài)”則是利用量子糾纏來直接傳輸量子比特，將應(yīng)用于未來量子計算之間的直接通信。

天機(jī)不可泄漏的

量子密鑰

自人類使用語言以來，密鑰技術(shù)就隨著人類對通信保密程度的需求而不斷發(fā)展。密鑰的作用是用來對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密，防止他人獲取信息內(nèi)容。在古埃及和古希臘時期，人們通過改變字母的順序?qū)γ魑倪M(jìn)行加密，隨后又發(fā)明了字母替換的加密方法，這種方法從古羅馬一直延續(xù)到中世紀(jì)和文藝復(fù)興時期。我國古代也有類似的信息加密方法，例如姜太公發(fā)明的“陰符”和“陽符”，就是利用敵方看不懂的暗語來傳遞我方的軍事信息。

隨著科技革命的出現(xiàn)，加密方式進(jìn)入了全新的階段。摩爾斯電碼的發(fā)明，使得人們可以將每個字母都編碼在4個“嘀”和“嗒”的不同組合上面，通過電報或電磁波來發(fā)送信息。

但即使到了這個時期，人類采用的加密方式都是固定的，密鑰都是事先約定好的，只要敵方拿到“密鑰本”，就能輕易破解加密的內(nèi)容。

伴隨著科技革命的進(jìn)一步發(fā)展，自動生成密鑰的機(jī)器逐漸出現(xiàn)，這其中以德國發(fā)明的英尼格瑪機(jī)（Enigma）最為著名。這種機(jī)器通過幾個旋鈕位置可以自動設(shè)置密鑰，加密后的情報需要同樣的英尼格瑪機(jī)的旋鈕旋轉(zhuǎn)到同樣位置才能解密出原文，這就相當(dāng)于密鑰被直接隱藏在了機(jī)器里面。

由于英尼格瑪機(jī)難以破解，它對德國在第二次世界大戰(zhàn)初期的一系列軍事勝利都起到了至關(guān)重要的作用。反過來說，盟軍能否破解英尼格瑪機(jī)又將直接影響戰(zhàn)爭走向。英國數(shù)學(xué)家、“計算機(jī)之父”阿蘭·圖靈對破解英尼格瑪機(jī)做出了非常突出的貢獻(xiàn)。他通過機(jī)器破解機(jī)器的方式，大幅提高了對英尼格瑪機(jī)的破解效率。他的方法不但為盟軍贏得了第二次世界大戰(zhàn)提供了巨大幫助，而且也啟發(fā)他發(fā)明了現(xiàn)代計算機(jī)。

到了如今的信息時代，計算機(jī)處理的信息都采用二進(jìn)制編碼，密鑰的形式也自然從字母變?yōu)榱硕M(jìn)制。隨著互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模普及，信息傳遞達(dá)到了前所未有的數(shù)量和頻率，人類對保密通信的需求也達(dá)到了前所未有的高度。

公開密鑰加密

今天保護(hù)我們互聯(lián)網(wǎng)信息安全的加密方式被稱為“公開密鑰”方式，即通過加密算法，生成網(wǎng)絡(luò)上傳播的公開密鑰，以及留在計算機(jī)內(nèi)部的私人密鑰，兩個密鑰必需配合使用才能實現(xiàn)完整的加密和解密過程。目前互聯(lián)網(wǎng)使用的加密標(biāo)準(zhǔn)是20世紀(jì)70年代誕生的RSA算法，即利用大數(shù)的質(zhì)因子分解難以計算的特性來保證密鑰的安全性。

但是隨著計算能力的不斷提升，RSA算法的安全性也受到了挑戰(zhàn)。2009年，RSA-768已經(jīng)被破解。破解目前廣泛采用的RSA-1024也只是時間問題。

“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”。1984年，美國物理學(xué)家本內(nèi)特和加拿大密碼學(xué)家布拉薩提出了基于量子力學(xué)測量原理的“量子密鑰分配”協(xié)議，即BB84協(xié)議。該協(xié)議利用光子的不可分割和不可克隆的特性，從根本上保證了密鑰的安全。

如果我們把一個個光子比作一枚枚硬幣，那么光子的偏振方向就好比硬幣的偏轉(zhuǎn)角度。量子密鑰的安全性就直接來自這些偏轉(zhuǎn)角度。BB84協(xié)議如同選取了 “↑”、“→”、“↗”、“↘”四個偏轉(zhuǎn)角度來分別對應(yīng)二進(jìn)制編碼。密鑰分配時，發(fā)送端和接收端都隨機(jī)用“”和“×”兩種洞來讓“硬幣”通過。扔一個“硬幣”，雙方就通過經(jīng)典信道（比如打電話）來對比一下所選的洞，留下雙方的洞一致時扔的“硬幣”結(jié)果，就生成了二進(jìn)制量子密鑰。

圖靈和他的破解機(jī)

如果中間有人竊聽，他只能隨機(jī)的選擇“”和“×”兩種洞。當(dāng)他測過“硬幣”角度后，如果他不想被發(fā)現(xiàn)，就需要把“硬幣”再扔給接收方。但是這個“硬幣”已經(jīng)被他測量過了，會有一半的概率改變了角度。于是接收方再測時，就會發(fā)現(xiàn)“硬幣”的測量結(jié)果和發(fā)送方有1/4概率的不同，就可以馬上知道有竊聽者的存在了。于是，發(fā)送方和接收方就可以停止密鑰分發(fā)，非常方便地?fù)Q個地方重新來過，直到確認(rèn)沒有竊聽為止。

因此，只要是成功分配的量子密鑰，就一定是沒有被竊聽過的安全密鑰。量子密鑰分配真正做到了“天不知地不知，只有你知我知”。

經(jīng)過物理學(xué)家多年的理論和實驗改進(jìn)，以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術(shù)已經(jīng)逐漸完成了實用化，并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。在地面光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上，世界上第一條量子保密通信主干線路“京滬干線”已經(jīng)建成，它大幅提高了我國在國防和金融領(lǐng)域的信息安全。

為了實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子保密通信，我國除了需要繼續(xù)建設(shè)覆蓋地面的光纖網(wǎng)絡(luò)外，還需要借助天上的飛行器，實現(xiàn)全球范圍的量子密鑰分配。2016年8月，我國發(fā)射的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，其中一個重要任務(wù)就是在國際上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分配?！澳犹枴钡能壍栏叨葹?00多千米，飛行速度約8千米/秒。地面站的望遠(yuǎn)鏡接收口徑約1米，用來生成量子密鑰的一個個光子需要精準(zhǔn)地打在地面站的望遠(yuǎn)鏡上。這樣的精準(zhǔn)程度就如同在一輛全速行駛的高鐵上，把一枚枚硬幣準(zhǔn)確地扔到10千米以外的一個固定的礦泉水瓶里，非常具有挑戰(zhàn)性。

鬼魅般的

量子態(tài)傳輸

如果你能擁有一項超能力，你會選擇什么？相信“瞬間移動”會是不少人兒時的夢想。這種超能力在物理學(xué)上并非完全不可能。如果我們能知道構(gòu)成物體的每一個粒子的狀態(tài)，然后在目的地用同樣的粒子完全復(fù)制，就可以得到一模一樣的物體。

量子力學(xué)中最核心、也是最神秘的概念就是疊加態(tài)，而“量子糾纏”正是多粒子的一種疊加態(tài)。以雙粒子為例，一個粒子A可以處于某個物理量的疊加態(tài)，這可以用一個量子比特來表示，同時另一個粒子B也可以處于疊加態(tài)。當(dāng)2個粒子發(fā)生糾纏，就會形成1個雙粒子的疊加態(tài)，即糾纏態(tài)。例如，有一種糾纏態(tài)就是無論2個粒子相隔多遠(yuǎn)，只要沒有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時，B粒子就一定處于1態(tài);反之，當(dāng)A粒子處于1態(tài)時，B粒子就一定處于0態(tài)。

這種跨越空間的瞬間影響雙方的量子糾纏，曾經(jīng)被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”，并以此來質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性，因為這個超距作用違反了他提出的“定域性原理”，即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速，這就是著名的“EPR佯謬”。后來，物理學(xué)家們依據(jù)愛因斯坦的定域性原理提出了“隱變量理論”來解釋這種超距作用。

很快物理學(xué)家貝爾提出了一個不等式，可以用來判定量子力學(xué)和隱變量理論究竟哪個正確。如果實驗結(jié)果符合貝爾不等式，則隱變量理論勝出;如果實驗結(jié)果違反了貝爾不等式，則量子力學(xué)勝出。但是，后來一次次的實驗結(jié)果都違反了貝爾不等式，即都證實了量子力學(xué)是對的，量子糾纏是非定域的，而隱變量理論是錯的，愛因斯坦的定域性原理必須被舍棄。2015年，荷蘭物理學(xué)家所進(jìn)行的最新的無漏洞貝爾不等式測量實驗，基本宣判了定域性原理的死刑。

隨著量子信息學(xué)的誕生，量子糾纏已經(jīng)不僅僅是一項基礎(chǔ)研究，它已經(jīng)成為量子信息科技的核心，例如利用量子糾纏可以完成量子通信中的量子隱形傳態(tài)。

雖然借用了科幻小說中“隱形傳態(tài)”這個詞語，但量子隱形傳態(tài)實際上和科幻的關(guān)系并不大。它是通過跨越空間的量子糾纏來實現(xiàn)對量子比特的傳輸。

量子隱形傳態(tài)的過程一般分為如下4步：

1.制備一個糾纏粒子對，分別將粒子1發(fā)送到A點(diǎn)，粒子2發(fā)送至B點(diǎn)。

2.在A點(diǎn)有另一個粒子3，攜帶一個想要傳輸?shù)牧孔颖忍豎。于是A點(diǎn)的粒子1、B點(diǎn)的粒子2、A點(diǎn)的粒子3一起會形成一個總的態(tài)。在A點(diǎn)同時測量粒子1和粒子3，得到一個測量結(jié)果。這個測量會使粒子1和粒子2的糾纏態(tài)解除，但同時粒子1和粒子3卻糾纏到了一起。

3.A點(diǎn)的發(fā)送方利用經(jīng)典信道把自己的測量結(jié)果告訴B點(diǎn)接收方。

4.B點(diǎn)的接收方收到A點(diǎn)的測量結(jié)果后，就知道了B點(diǎn)的粒子2處于哪個狀態(tài)。只要對粒子2稍做一個基本的量子力學(xué)操作，它就會準(zhǔn)確地變成粒子3在測量前的狀態(tài)。也就是說，粒子3攜帶的量子比特?zé)o損地從A點(diǎn)傳輸?shù)搅薆點(diǎn)，而粒子3本身只留在A點(diǎn)，并沒有發(fā)送到B點(diǎn)，但原來的量子態(tài)消失了。

需要注意的是，由于步驟3是經(jīng)典信息傳輸且不可忽略，因此它限制了整個量子隱形傳態(tài)的速度，使得量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速度無法超過光速。

“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的另一個主要任務(wù)就是要在國際上首次實現(xiàn)星地之間的量子糾纏分發(fā)，用來檢驗貝爾不等式，同時還要利用該糾纏實現(xiàn)星地量子隱形傳態(tài)。

未來的量子計算機(jī)需要直接處理量子比特，于是“量子隱形傳態(tài)”這種直接的量子比特傳輸將成為未來量子計算之間數(shù)據(jù)的傳輸方式。由于量子比特本身不可任意復(fù)制且不可分割，它自身就帶有保密性質(zhì)。因此，量子隱形傳態(tài)將和量子計算機(jī)一起構(gòu)成未來的全量子互聯(lián)網(wǎng)。