什么是量子通信?量子通信為什么非常安全?

　　我們中的很多人將自己的生活上傳到互聯(lián)網(wǎng)上。銀行業(yè)務(wù)、工作郵件、社交媒體、約會(huì)資料、醫(yī)療記錄——所有這些都是敏感信息。可是量子技術(shù)在飛速發(fā)展，今天保護(hù)我們上網(wǎng)的加密算法不久可能被量子計(jì)算機(jī)瞬間破解。這樣的前景不能不讓人恐慌。

　　不過(guò)，量子的破壞也可以通過(guò)量子來(lái)補(bǔ)救。如果建立一種新型的互聯(lián)網(wǎng)——量子互聯(lián)網(wǎng)，原則上說(shuō)，我們可以百分之百安全地傳遞密鑰。此外，量子互聯(lián)網(wǎng)還會(huì)給我們帶來(lái)意想不到的用途。

　　當(dāng)然，構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，但基礎(chǔ)已經(jīng)奠定，我們遲早都會(huì)加入量子信息高速公路。現(xiàn)在，我們正處在一個(gè)新的信息時(shí)代的門(mén)檻上。

　　量子計(jì)算機(jī)威脅到互聯(lián)網(wǎng)的安全

　　傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)以二進(jìn)制的0或1為信息單位。1個(gè)0或1稱作1比特;2個(gè)0或1的組合，例如00、01、10、11，稱作2比特，如此等等。你的每封電子郵件、每張照片都是以比特的形式傳輸和存儲(chǔ)的。

　　如果從量子的角度看，這就相當(dāng)有限了。我們知道，微觀粒子有一種詭異的量子特性，即可以處于一種屬性不確定的狀態(tài)，比如同時(shí)處于兩個(gè)不同的地方或者不同的能量。這些量子態(tài)極其微妙，但學(xué)會(huì)操縱它們，你就能存儲(chǔ)以量子比特為單位的量子信息。1量子比特不僅能編碼0或1，還能編碼0和1按任意比例的混合;2量子比特不僅能編碼00、01、10、11，還能編碼四者按任意比例的混合;如此等等。

　　物理學(xué)家目前已經(jīng)制造出能操縱幾十個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)原型。當(dāng)它們發(fā)展到足夠強(qiáng)大時(shí)，有望超越任何傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，屆時(shí)將在設(shè)計(jì)新藥和先進(jìn)材料，解決工程和物流方面大顯身手。

　　但也正是量子計(jì)算機(jī)威脅著傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的安全。今天許多保證互聯(lián)網(wǎng)安全的加密算法都基于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法快速解決的數(shù)學(xué)問(wèn)題，比如對(duì)一個(gè)非常大的數(shù)做質(zhì)數(shù)分解，通常是非常困難的，以現(xiàn)有的最快速度計(jì)算，有時(shí)也要花數(shù)百年時(shí)間。但是，一臺(tái)足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)可以瞬間完成這項(xiàng)工作。這將破壞互聯(lián)網(wǎng)通信的安全。雖然要研制出這種量子計(jì)算機(jī)估計(jì)至少還要10年時(shí)間，但問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。

　　什么是量子通信?

　　要對(duì)抗量子計(jì)算機(jī)的威脅，最好的辦法是實(shí)施量子通信。所謂的量子通信，就是利用量子的特性傳遞經(jīng)典比特(而非量子比特，因?yàn)樾畔⒅挥幸越?jīng)典比特的形式才能被我們解讀)的信息。量子通信借助了微觀粒子的另一種詭異的量子特性——量子糾纏。

　　什么是量子糾纏?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是兩個(gè)或多個(gè)微觀粒子之間存在一種非常緊密的聯(lián)系，使得它們的狀態(tài)無(wú)法獨(dú)立描述，而只能作為一個(gè)整體來(lái)描述。比如，如果A和B兩個(gè)電子發(fā)生量子糾纏，總自旋為零，那么此后，我們就只能把它們當(dāng)做總自旋為零的一個(gè)整體來(lái)描述。這會(huì)給我們帶來(lái)一個(gè)意想不到的好處：譬如，現(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)地將它們分開(kāi)。分開(kāi)后，我們只知道它們總自旋為零，而不知道它們各自的確切狀態(tài)。換句話說(shuō)，A、B電子各自處于自旋朝上或自旋朝下的不確定狀態(tài)。現(xiàn)在，你要是對(duì)A電子操作，譬如測(cè)量到它處于“自旋朝上”的狀態(tài)，那么為了保持總自旋為零這個(gè)糾纏條件，B電子瞬間就自動(dòng)選擇“自旋朝下”的確定狀態(tài)了(本來(lái)B電子處于不確定狀態(tài)，按理，既然沒(méi)有對(duì)它直接操作，它應(yīng)該始終處于不確定狀態(tài))。換句話說(shuō)，你對(duì)A電子的操作會(huì)瞬間影響到B電子，這種影響的傳播是不需要時(shí)間的。

　　量子通信為什么非常安全?

　　那么，量子通信是如何實(shí)現(xiàn)的呢?它為什么能非常安全地傳遞密鑰呢?下面我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)做說(shuō)明。

　　假設(shè)愛(ài)麗絲要向遠(yuǎn)方的鮑勃傳送一條二進(jìn)制編碼為“01”的2比特信息。現(xiàn)在，愛(ài)麗絲生成了一對(duì)量子糾纏的電子A和B，她把B電子發(fā)送給鮑勃，自己手中留下A電子。我們不妨事先約定，電子自旋朝上的狀態(tài)代表“1”，自旋朝下的狀態(tài)代表“0”。

　　鮑勃收到B電子后，就對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。比如，他測(cè)得的結(jié)果是自旋朝下，也就是“0”。他的測(cè)量瞬間就影響到了愛(ài)麗絲手頭的電子A，使其自旋朝上，也就是“1”。愛(ài)麗絲通過(guò)觀察電子A的狀態(tài)，就可以判斷，鮑勃接收到的信息是“0”。但這不符合她的要求(因?yàn)樗l(fā)送的是信息是“1”)。于是，她就或者通過(guò)打電話，或者通過(guò)微信，告訴鮑勃，這次通信作廢，重新再來(lái)。

　　然后，愛(ài)麗絲重新生成一對(duì)量子糾纏電子C和D，把D發(fā)送給鮑勃，C留在自己手上。重復(fù)上述過(guò)程，直到愛(ài)麗絲知道鮑勃收到的信息是“1”為止。接下去，如法炮制，傳遞第二比特的信息“0”。

　　那么，假如愛(ài)麗絲發(fā)送給鮑勃的B電子被竊聽(tīng)者半途攔截了，會(huì)發(fā)生什么事情呢?

　　竊聽(tīng)者要想獲得信息，也必須對(duì)B電子進(jìn)行測(cè)量。但麻煩的是，他只要一對(duì)B電子測(cè)量，他的操作瞬間就能影響到愛(ài)麗絲手頭的A電子。愛(ài)麗絲觀察到A電子發(fā)生了變化，就打電話給鮑勃：“喂，鮑勃!剛才對(duì)電子測(cè)量的是你嗎?”而鮑勃?jiǎng)t回答“沒(méi)有啊，我沒(méi)收到你的電子。”(竊聽(tīng)者對(duì)B電子進(jìn)行測(cè)量后，原則上當(dāng)然可以繼續(xù)讓其傳遞到鮑勃那里，讓鮑勃完全不知情，但問(wèn)題是，他一測(cè)量，就會(huì)引起愛(ài)麗絲的注意，然后愛(ài)麗絲就會(huì)向鮑勃詢問(wèn)。)愛(ài)麗絲一下子就明白了，B電子一定是被竊聽(tīng)者攔截了。于是，她就對(duì)鮑勃說(shuō)：“看來(lái)有人竊聽(tīng)，剛才這次通信作廢，重新來(lái)過(guò)。”(注意，這些對(duì)話不需要保密，哪怕被竊聽(tīng)去也無(wú)所謂。)這樣一來(lái)，竊聽(tīng)者之前的努力就全白費(fèi)了。換句話說(shuō)，在量子通信中，竊聽(tīng)者要想竊聽(tīng)而又不泄露自己的存在，那是不可能的;而一旦泄露，他的努力就前功盡棄。

　　從上面的例子中我們已經(jīng)看到，量子互聯(lián)網(wǎng)并不是要完全取代傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，相反，通信雙方一系列的對(duì)話，還是要借助傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng);量子互聯(lián)網(wǎng)只是要在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上加建一層量子通信線路，用于傳遞量子糾纏的粒子，這樣用戶就可以共享一個(gè)密鑰。

　　未來(lái)，量子互聯(lián)網(wǎng)建成之后，我們還可以把分布于世界各地的量子計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，形成一臺(tái)量子超級(jí)計(jì)算機(jī)，完成更加復(fù)雜的計(jì)算。用戶還可以在量子計(jì)算機(jī)上遠(yuǎn)程運(yùn)行程序，甚至連量子計(jì)算機(jī)的所有者都無(wú)法窺探到運(yùn)行結(jié)果。這就是所謂的“盲量子計(jì)算”，即用戶在數(shù)據(jù)始終保持加密的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。盲量子計(jì)算可以讓任何人使用量子計(jì)算機(jī)，而不會(huì)有敏感數(shù)據(jù)被竊取的風(fēng)險(xiǎn)。