中國的量子通信技術突飛猛進！那到底什麼是量子通信？

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正文

10月14日，由中科院控股的國科量子通信網絡有限公司與文昌國際航天城管理局、中國有線電視網絡有限公司籤署合作協議，計劃在海南打造全球第一條「星地一體」環島量子保密通信網絡。這是中國在民用量子通信領域的又一個標誌性事件。

近年來，中國在量子通信領域的發展速度早已走在了世界的前沿，量子通信產業化如火如荼。這項新技術對於傳統通信方式而言是顛覆性的。但具體顛覆在哪裡，似乎也很難用一兩句話就能說明白。作為一個非行業內人士，我其實也只懂得一些最粗淺的皮毛，不過這或許有助於我利用儘可能淺顯易懂的表述以便讓更多人了解量子通信的偉大之處。

一、什麼是量子

能說清楚量子是什麼的人大概不多，但聽說過薛丁格的貓的人應該很多。

微觀世界是如此詭異，與我們通過觀察宏觀世界形成的規律總是背道而馳，以致於很多偉大的科學家，比如愛因斯坦，都無法接受其中的某些設定。

量子並不是某一種具體的粒子，而是對具有量子特性的一類粒子的統稱。我們可以簡單地理解為量子就是一切物質分割到最小的無法再分割的那一個單位的物質或能量。比如光的最小單位就是光子，電的最小單位就是電子，這些都可被稱為量子。

量子擁有一些十分詭異的特性，例如量子的物理量是不連續的。如何理解這句話呢，例如在我們所熟悉的宏觀世界裡，當你翩翩起舞繞著原地轉上一圈時，那麼在這個旋轉的過程中的任何一個瞬間，你都處於一個特定的狀態，無論你將這個瞬間如何再分割到更短，你始終處於連續旋轉中的一步。

但是到了量子這裡卻完全不是這麼一回事，比如電子，它的自旋（這和宏觀世界中的物體的自旋不同，這裡我們只需要知道自旋是微觀粒子的內秉屬性，不用去深究。）只有上旋和下旋兩個狀態，而沒有介於兩者之間的其他中間狀態。

更詭異的是，當你不去觀察電子時，它處於既是上旋又是下旋的疊加態，而當你觀察它時，它會隨機成為其中的一種狀態，量子力學把這種現象稱為波函數（描述微觀粒子狀態的函數）坍縮。薛丁格拿貓來舉例原本正是諷刺這種看似荒誕不經的現象。

二、量子糾纏

然而驚奇的事情還沒有結束，如果把兩個電子靠的足夠近，它們會釋放出一個光子，同時進入一種互相糾纏的狀態，這個狀態的奇異之處在於，當你觀察其中一個電子導致其坍縮成某個確定狀態（上旋或下旋）時，另一個電子也會立刻坍縮並且狀態相反。如果這兩個電子只是緊緊挨在一起，我們還能將這種狀態變化假設為兩者之間存在某種未知的聯繫。然而測試表明，糾纏態一旦形成，量子間就不再受到距離的限制，比如一個電子在地球，另一個電子在火星時結果也完全一樣，並且兩個粒子狀態的坍縮是完全同步的，無論相隔多遠都沒有任何時間延遲。

這就好像你拿著一根無限長的木棍，當你旋轉一端時，另一端也會同時旋轉（實際上這其實有延遲）。

如果只是快速地思索一下，很容易得出一種常見的結論：上旋和下旋不正好對應二進位數裡的0和1麼，通過製造很多個量子糾纏對並且將每對量子拆散分別保存在有通訊需求的兩方，不就可以實現超光速通信了麼？

三、量子通信

不過很遺憾，這只是對量子通信的錯誤理解中最常見的一種。

處於糾纏態的量子實際上並不能傳遞任何信息。再仔細回顧一下之前的內容，量子狀態的坍縮是隨機的，在觀察量子前，你並不能確定它的狀態，也無法手動修正它，那麼糾纏對中的另一個量子的狀態顯然也是隨機的，自然也就無法攜帶任何事先擬定的信息。

最終的結論似乎有些沮喪，通信的最大速度仍然受到光速的限制，但量子糾纏雖然不能用於提高通信的速度，卻在另一個屬性上擁有獨特的優勢，那就是安全性。

傳統信息加密方式最大的問題在於，它不能在理論上杜絕被破解或截獲的可能，無論加密的方式有多複雜。事實上，對安全性要求極高的金融業普遍採用的RSA加密算法在最新的量子計算機面前也只需要幾秒鐘就能被破解。

但量子通信在理論上杜絕了這種現象的發生，傳輸信息的一方在發送信息的同時可以將糾纏對中的一個量子發送給對方，之後雙方只需要觀察量子並對坍縮後的量子狀態進行比對就可以知道信息在傳送過程中是否被截獲。比如發送方發送了4對糾纏態量子，對方收到信息後觀察量子，得到的狀態依次是1101，那麼發送方的量子態就應該是0010，兩者比對，就可以確定信息是否被竊取。

首先，如果有人截獲信息，則接收方無法收到量子；而如果截獲者複製一份信息發送給接收方，則由於疊加態效應，接收方與發送方的量子狀態將無法匹配（通過增加糾纏量子對數量就可以降低偽造匹配成功的概率）。

由此可見，量子通信無法被截獲，信息傳遞將有史以來第一次實現絕對意義上的安全。這才是量子通信的最大價值所在。