量子(zi)力學的(de)建立帶來了(le)(le)第(di)一次量子(zi)革命，催(cui)生(sheng)(sheng)了(le)(le)以現代信息技術為(wei)代表的(de)第(di)三(san)次工(gong)業(ye)革命，從根本上改變了(le)(le)人類的(de)生(sheng)(sheng)活(huo)方式和(he)社會面貌。

　　隨著人類(lei)對量子(zi)力學的(de)認(ren)識、理解和研究不斷深入，以(yi)微(wei)觀粒子(zi)系統為操控對象，借(jie)助其(qi)獨特(te)物理現象進行信(xin)息獲取、處理和傳輸的(de)量子(zi)信(xin)息技術應運而生，并有望推動第二次(ci)量子(zi)革命(ming)，對未來社會產生本質的(de)影響。

　　量子(zi)信(xin)(xin)(xin)息(xi)技術(shu)主要包括量子(zi)計算(suan)、量子(zi)通信(xin)(xin)(xin)和量子(zi)測量三大(da)領(ling)域，其中(zhong)，量子(zi)通信(xin)(xin)(xin)已經成為(wei)信(xin)(xin)(xin)息(xi)通信(xin)(xin)(xin)技術(shu)演進和產(chan)業升級(ji)的關注焦點之一。

　　糾纏特性讓一對(dui)量子“心靈相(xiang)通”

　　一(yi)對糾纏量子即(ji)使相距(ju)遙遠(yuan)距(ju)離，其中一(yi)個粒子的行為也會瞬間影響另(ling)一(yi)個的狀態，這種空間影響速度可超越光速，打破(po)了愛因斯坦提出的定(ding)域性原理。

　　量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)通信利用量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)疊(die)加態或量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)糾纏效(xiao)應等進行信息或密(mi)鑰(yao)傳輸(shu)，基(ji)于量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)力學原(yuan)理保證傳輸(shu)安(an)全性，主要分量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)隱形傳態和量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)密(mi)鑰(yao)分發兩類。這個過(guo)程中，量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)的疊(die)加態特性發揮了重(zhong)要作用，甚至量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)糾纏也是多粒子(zi)(zi)(zi)的一種疊(die)加態。

　　量(liang)子(zi)(zi)糾纏指的(de)(de)是粒(li)子(zi)(zi)在由兩個(ge)或兩個(ge)以上粒(li)子(zi)(zi)組成系統中相互影響(xiang)(xiang)的(de)(de)現象，即使(shi)相距遙(yao)遠，一(yi)個(ge)粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)行為(wei)也(ye)會影響(xiang)(xiang)另一(yi)個(ge)的(de)(de)狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)。當其中一(yi)顆(ke)被(bei)操作（例如量(liang)子(zi)(zi)測(ce)量(liang)）而狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)發(fa)生變化(hua)，另一(yi)顆(ke)也(ye)會即刻發(fa)生相應(ying)的(de)(de)狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)變化(hua)。

　　這種跨越空間的(de)(de)、瞬間影響(xiang)雙方的(de)(de)量子(zi)糾纏，曾經(jing)被稱為(wei)“鬼魅(mei)似的(de)(de)超(chao)距作用(yong)”，愛因斯(si)坦曾據(ju)此(ci)來質疑(yi)量子(zi)力學的(de)(de)完備性(xing)，因為(wei)這個超(chao)距作用(yong)違反了他(ta)提出(chu)的(de)(de)定域性(xing)原理，即(ji)任何空間上(shang)相互(hu)影響(xiang)的(de)(de)速(su)度都不能超(chao)過光(guang)速(su)。

　　物理學家(jia)玻(bo)姆在愛因斯坦(tan)的(de)(de)(de)定域性基礎(chu)上，提出了(le)隱變量理論來解釋這(zhe)種超距相互作(zuo)用，他認為微觀粒子沒有(you)(you)客觀實在性，只有(you)(you)當人(ren)們測量時它們才(cai)具有(you)(you)確定的(de)(de)(de)性質。物理學家(jia)貝爾通過實驗論證了(le)量子非定域性的(de)(de)(de)存在，向世人(ren)證明了(le)量子糾纏(chan)是(shi)非定域的(de)(de)(de)，而隱變量理論是(shi)錯的(de)(de)(de)。

　　1984年，IBM的貝內特(te)和(he)蒙特(te)利(li)爾大(da)學的布(bu)拉薩(sa)德提出了第(di)一個實用(yong)型量(liang)子(zi)(zi)密鑰分配系統，被稱(cheng)BB84方案，正(zheng)式標志量(liang)子(zi)(zi)保密通信的誕生。

　　BB84方案的基本原理是，收發雙(shuang)方的信息(xi)可(ke)以用(yong)光子偏(pian)振態表示，假如張三(san)(san)利用(yong)隨機偏(pian)振發送(song)信息(xi)，李四發現并(bing)記(ji)錄下信息(xi)。然后，張三(san)(san)在公(gong)頻告(gao)知李四偏(pian)振頻率(lv)，雙(shuang)方按照(zhao)正確的偏(pian)振比對選擇的信息(xi)部分。

　　事實(shi)(shi)上(shang)，BB84方(fang)案雖然(ran)應(ying)用了(le)量(liang)子(zi)通(tong)道，傳輸的(de)卻仍是(shi)經典信(xin)(xin)息(xi)(xi)，而真正(zheng)的(de)量(liang)子(zi)通(tong)信(xin)(xin)是(shi)將信(xin)(xin)息(xi)(xi)編碼在(zai)(zai)量(liang)子(zi)比特上(shang)，在(zai)(zai)量(liang)子(zi)通(tong)道上(shang)將量(liang)子(zi)比特從甲方(fang)傳給乙方(fang)，直(zhi)接實(shi)(shi)現信(xin)(xin)息(xi)(xi)的(de)傳遞。

　　比如在(zai)經(jing)典通(tong)信中，張(zhang)三(san)將(jiang)需要傳(chuan)輸(shu)的(de)(de)文件(jian)經(jing)過掃(sao)描后(hou)得到的(de)(de)信息，通(tong)過經(jing)典通(tong)道傳(chuan)送給李四(si)，后(hou)者可(ke)將(jiang)文件(jian)打印出來(lai)。然而，張(zhang)三(san)不(bu)可(ke)能用這(zhe)種方式將(jiang)一(yi)個量子(zi)態(tai)(tai)傳(chuan)輸(shu)給李四(si)。因為要傳(chuan)輸(shu)就必(bi)須要測量，但量子(zi)態(tai)(tai)一(yi)經(jing)測量便(bian)發生坍縮，不(bu)再是原來(lai)的(de)(de)量子(zi)態(tai)(tai)了。

　　那么，如何在(zai)不(bu)引起坍縮的情況下，將一個量子(zi)態(tai)傳輸出去(qu)呢？

　　1993年貝內特等人提出了基于EPR對（總動量(liang)總自旋(xuan)為零的(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)對）的(de)(de)隱形傳態(tai)(tai)協議，利用兩(liang)個(ge)經典比(bi)特信(xin)道和(he)一個(ge)纏(chan)繞比(bi)特實現了一個(ge)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)特的(de)(de)傳輸(shu)。這(zhe)個(ge)傳輸(shu)過程先是制備(bei)兩(liang)個(ge)有(you)糾(jiu)纏(chan)的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)（粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)）A和(he)B，假如(ru)張(zhang)三和(he)李四(si)各持一個(ge)。然后，張(zhang)三對需要(yao)傳送的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)態(tai)(tai)X和(he)手中的(de)(de)A做(zuo)“貝爾測(ce)量(liang)”，確認兩(liang)個(ge)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)陷入糾(jiu)纏(chan)。測(ce)量(liang)后，X的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)態(tai)(tai)坍縮(suo)了，但它的(de)(de)狀態(tai)(tai)信(xin)息隱藏在(zai)A中，使A也發(fa)生變化，但并非坍縮(suo)。

　　因為A和(he)B互相糾纏，A的變化立即影響(xiang)B，讓B也發生變化。不過這個時(shi)候李(li)四還不能觀察B，直(zhi)到從經(jing)典通(tong)道得(de)到張三傳來的信息。

　　張三將測量(liang)結果（即A發(fa)生的(de)變化）告訴李四，然后，李四對B進行(xing)相應的(de)變換處理，就(jiu)能使B成(cheng)為和原來的(de)X一模(mo)一樣的(de)量(liang)子態(tai)。這(zhe)個(ge)傳(chuan)(chuan)輸過程完成(cheng)之(zhi)后，雖然X坍縮(suo)了，但X所有的(de)信息都傳(chuan)(chuan)輸到了B上，這(zhe)個(ge)過程就(jiu)被稱為隱形(xing)傳(chuan)(chuan)態(tai)。

　　量(liang)子(zi)(zi)隱形傳態中傳遞的量(liang)子(zi)(zi)信息是一種量(liang)子(zi)(zi)態，B粒子(zi)(zi)獲(huo)得A粒子(zi)(zi)最初的狀態時(shi)，A粒子(zi)(zi)的狀態必然(ran)改變。在任何時(shi)刻都只(zhi)能有一個粒子(zi)(zi)處于目標狀態，所以只(zhi)是狀態的“移(yi)動”，而不是“復制”。

　　被嚴格證(zheng)明的(de)無條件安(an)全

　　根(gen)據量(liang)(liang)子(zi)的不可克隆特性(xing)，任何竊聽者(zhe)試圖攔截量(liang)(liang)子(zi)通信時，都會對量(liang)(liang)子(zi)態造成破壞。收發(fa)信息雙方只要對比(bi)部(bu)分密鑰，就能斷(duan)定(ding)信息是否(fou)被截獲。

　　復制（即克(ke)(ke)(ke)隆(long)）任(ren)何一個(ge)粒子(zi)(zi)(zi)的(de)狀(zhuang)態(tai)前，首先都要(yao)測量這(zhe)(zhe)個(ge)狀(zhuang)態(tai)。但(dan)是量子(zi)(zi)(zi)態(tai)非常脆弱，任(ren)何測量都會(hui)改變量子(zi)(zi)(zi)態(tai)本身，即令量子(zi)(zi)(zi)態(tai)坍縮，因此量子(zi)(zi)(zi)態(tai)無(wu)法被(bei)任(ren)意克(ke)(ke)(ke)隆(long)。這(zhe)(zhe)種量子(zi)(zi)(zi)的(de)不可(ke)克(ke)(ke)(ke)隆(long)特性(xing)已經(jing)經(jing)過了數(shu)學上的(de)嚴格證明(ming)。

　　竊聽(ting)者(zhe)試圖攔截經(jing)典信(xin)息(xi)時，就會復制(zhi)這(zhe)份經(jing)典信(xin)息(xi)。在量(liang)子(zi)態傳輸過程中，因為(wei)無法克隆任意量(liang)子(zi)態，于是在竊聽(ting)者(zhe)竊聽(ting)攔截量(liang)子(zi)通信(xin)的時候(hou)，就會銷(xiao)毀(hui)他所截獲到(dao)的這(zhe)個(ge)量(liang)子(zi)態。

　　正因如此，我們直接傳(chuan)輸(shu)量(liang)(liang)子比特時，不用建立量(liang)(liang)子密(mi)碼。量(liang)(liang)子密(mi)鑰的(de)產生過(guo)程(cheng)，同時就(jiu)是(shi)分配過(guo)程(cheng)，通信雙方同時獲得密(mi)鑰，并不需要第三者信使(shi)在中(zhong)間傳(chuan)輸(shu)。

　　量子(zi)(zi)密鑰分配，就是建(jian)立起完全安(an)全的密鑰傳輸通道。因為(wei)光子(zi)(zi)有(you)兩個(ge)偏振方向(xiang)，而且相互(hu)垂直(zhi)，所以(yi)信(xin)息的發送者(zhe)和接收者(zhe)，都可以(yi)簡(jian)單地選取90度的測(ce)量方式或45度的測(ce)量方式來測(ce)量光子(zi)(zi)。

　　得到全部(bu)測(ce)量(liang)結(jie)果后，他們之間通過(guo)經典信(xin)道，如電話、QQ等建(jian)立(li)聯系，互相(xiang)(xiang)分享各(ge)自用過(guo)的(de)(de)測(ce)量(liang)方式(shi)，相(xiang)(xiang)同(tong)的(de)(de)測(ce)量(liang)方式(shi)所對應的(de)(de)二進制(zhi)比(bi)特，就是(shi)他們最終生成的(de)(de)密碼。需要注意的(de)(de)是(shi)，只有當發送方和接(jie)收(shou)方所選擇的(de)(de)測(ce)量(liang)方式(shi)相(xiang)(xiang)同(tong)的(de)(de)時候(hou)，傳(chuan)輸比(bi)特才能被保留下來用作(zuo)密鑰。

　　想(xiang)知道是否存在截(jie)獲者(zhe)，發(fa)送(song)方(fang)和接(jie)收(shou)方(fang)只(zhi)需要拿(na)出一小部分(fen)密(mi)鑰來對照。如(ru)果發(fa)現互相(xiang)有(you)25%的不(bu)同(tong)(tong)，那么就(jiu)可以斷(duan)定信(xin)息被(bei)截(jie)獲了。同(tong)(tong)理，如(ru)果信(xin)息未被(bei)截(jie)獲，那么二者(zhe)密(mi)碼(ma)的相(xiang)同(tong)(tong)率(lv)是100%。如(ru)果發(fa)現竊聽(ting)，就(jiu)立刻關閉通信(xin)，或重(zhong)新分(fen)配(pei)密(mi)鑰，直(zhi)到沒(mei)人竊聽(ting)為止。

　　正(zheng)是(shi)由于量(liang)子(zi)不(bu)可克隆定(ding)理，讓接收方能夠察覺密(mi)(mi)鑰的錯(cuo)誤，停(ting)止密(mi)(mi)鑰通(tong)信，從而也就保證了量(liang)子(zi)加密(mi)(mi)信息的絕對(dui)安全性。

　　超光速通信依舊(jiu)無(wu)法實現(xian)

　　即便量子糾纏速(su)度(du)可(ke)超越光(guang)速(su)，但這種量子態的(de)改變并不為人(ren)類意志所發生變化。具體的(de)信息由一串有序符號構(gou)成，這種信息的(de)發送無法超越光(guang)的(de)速(su)度(du)。

　　中(zhong)國(guo)科學(xue)家潘(pan)建偉帶領其團隊曾(ceng)在青海做(zuo)過量(liang)子糾纏(chan)的(de)速(su)度下限測試，實驗表明(ming)量(liang)子糾纏(chan)的(de)速(su)度至少是光速(su)的(de)上萬倍。那么，利用量(liang)子糾纏(chan)特性能否實現超光速(su)通信呢？答案是否定的(de)。

　　如果把甲乙兩(liang)(liang)個糾纏粒(li)(li)子放(fang)在AB兩(liang)(liang)地，改(gai)變A地的(de)粒(li)(li)子，B地粒(li)(li)子也同(tong)時(shi)發生(sheng)相應(ying)改(gai)變。由(you)于量子力(li)學(xue)的(de)非局域性(xing)，這種改(gai)變只能是隨機的(de)，并不(bu)會完全按照人的(de)意(yi)愿(yuan)進(jin)行。因為(wei)，有效的(de)信息必(bi)須是一連串最基本的(de)有序符(fu)號構成(cheng)，如果01011000代表的(de)是一個蘋果的(de)信息，那(nei)么(me)我們操(cao)縱一個量子糾纏系(xi)統，就得(de)迫使(shi)它按順序發送0101100這樣(yang)的(de)符(fu)號。

　　很可惜(xi)，操縱量(liang)(liang)子(zi)得(de)到的(de)結果(guo)只(zhi)是(shi)隨機的(de)。這是(shi)量(liang)(liang)子(zi)物(wu)理(li)最令人(ren)困惑(huo)的(de)一點：當你知道系統完整(zheng)狀態，并對系統的(de)其(qi)余部分(fen)進(jin)行測量(liang)(liang)時(shi)，可以(yi)通(tong)過糾纏獲取系統某一個部分(fen)的(de)信息(xi)，但(dan)是(shi)不能從糾纏系統的(de)某個部分(fen)創建(jian)并發送信息(xi)到另(ling)一部分(fen)。盡(jin)管這個想法很聰明(ming)，但(dan)超光(guang)速通(tong)信依然是(shi)不可能實現(xian)的(de)。

　　量(liang)(liang)子(zi)力學(xue)中狀態(tai)的(de)變化是瞬時的(de)，在(zai)科(ke)幻(huan)電(dian)影中，經(jing)常有把人從一個地方瞬間傳(chuan)(chuan)送(song)到另一個地方的(de)鏡頭，甚至(zhi)認為依靠糾纏來實現的(de)量(liang)(liang)子(zi)隱形傳(chuan)(chuan)態(tai)可以推翻相對論，實現超光速傳(chuan)(chuan)輸。

　　其(qi)(qi)實(shi)，這也是(shi)一(yi)種(zhong)誤解。量(liang)子隱形(xing)傳態的方案包(bao)括若干步，其(qi)(qi)中(zhong)一(yi)步是(shi)上文中(zhong)的張三將測量(liang)結果(guo)（即(ji)A發生的變(bian)化(hua)）告(gao)訴李四，才能把(ba)B粒(li)子的狀態變(bian)成目標狀態。這個信(xin)息需要用經典(dian)的通(tong)信(xin)方式(shi)，例(li)如打(da)電話(hua)、發郵件等(deng)，速(su)度不(bu)能超(chao)過(guo)光速(su)，所以基于量(liang)子糾纏的量(liang)子隱形(xing)傳態速(su)度也不(bu)能超(chao)過(guo)光速(su)。