Popular science work
量子科技系列報(bào)道③
量子力學(xué)的建立帶來(lái)了第一次量子革命，催生了以現(xiàn)代信息技術(shù)為代表的第三次工業(yè)革命，從根本上改變了人類(lèi)的生活方式和社會(huì)面貌。
隨著人類(lèi)對(duì)量子力學(xué)的認(rèn)識(shí)、理解和研究不斷深入，以微觀粒子系統(tǒng)為操控對(duì)象，借助其獨(dú)特物理現(xiàn)象進(jìn)行信息獲取、處理和傳輸?shù)牧孔有畔⒓夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并有望推動(dòng)第二次量子革命，對(duì)未來(lái)社會(huì)產(chǎn)生本質(zhì)的影響。
量子信息技術(shù)主要包括量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量三大領(lǐng)域，其中，量子通信已經(jīng)成為信息通信技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)注焦點(diǎn)之一。
糾纏特性讓一對(duì)量子“心靈相通”
一對(duì)糾纏量子即使相距遙遠(yuǎn)距離，其中一個(gè)粒子的行為也會(huì)瞬間影響另一個(gè)的狀態(tài)，這種空間影響速度可超越光速，打破了愛(ài)因斯坦提出的定域性原理。
量子通信利用量子疊加態(tài)或量子糾纏效應(yīng)等進(jìn)行信息或密鑰傳輸，基于量子力學(xué)原理保證傳輸安全性，主要分量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩類(lèi)。這個(gè)過(guò)程中，量子的疊加態(tài)特性發(fā)揮了重要作用，甚至量子糾纏也是多粒子的一種疊加態(tài)。
量子糾纏指的是粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象，即使相距遙遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的行為也會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)。當(dāng)其中一顆被操作（例如量子測(cè)量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。
這種跨越空間的、瞬間影響雙方的量子糾纏，曾經(jīng)被稱(chēng)為“鬼魅似的超距作用”，愛(ài)因斯坦曾據(jù)此來(lái)質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性，因?yàn)檫@個(gè)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(guò)光速。
物理學(xué)家玻姆在愛(ài)因斯坦的定域性基礎(chǔ)上，提出了隱變量理論來(lái)解釋這種超距相互作用，他認(rèn)為微觀粒子沒(méi)有客觀實(shí)在性，只有當(dāng)人們測(cè)量時(shí)它們才具有確定的性質(zhì)。物理學(xué)家貝爾通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了量子非定域性的存在，向世人證明了量子糾纏是非定域的，而隱變量理論是錯(cuò)的。
1984年，IBM的貝內(nèi)特和蒙特利爾大學(xué)的布拉薩德提出了第一個(gè)實(shí)用型量子密鑰分配系統(tǒng)，被稱(chēng)BB84方案，正式標(biāo)志量子保密通信的誕生。
BB84方案的基本原理是，收發(fā)雙方的信息可以用光子偏振態(tài)表示，假如張三利用隨機(jī)偏振發(fā)送信息，李四發(fā)現(xiàn)并記錄下信息。然后，張三在公頻告知李四偏振頻率，雙方按照正確的偏振比對(duì)選擇的信息部分。
事實(shí)上，BB84方案雖然應(yīng)用了量子通道，傳輸?shù)膮s仍是經(jīng)典信息，而真正的量子通信是將信息編碼在量子比特上，在量子通道上將量子比特從甲方傳給乙方，直接實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。
比如在經(jīng)典通信中，張三將需要傳輸?shù)奈募?jīng)過(guò)掃描后得到的信息，通過(guò)經(jīng)典通道傳送給李四，后者可將文件打印出來(lái)。然而，張三不可能用這種方式將一個(gè)量子態(tài)傳輸給李四。因?yàn)橐獋鬏斁捅仨氁獪y(cè)量，但量子態(tài)一經(jīng)測(cè)量便發(fā)生坍縮，不再是原來(lái)的量子態(tài)了。
那么，如何在不引起坍縮的情況下，將一個(gè)量子態(tài)傳輸出去呢？
1993年貝內(nèi)特等人提出了基于EPR對(duì)（總動(dòng)量總自旋為零的粒子對(duì)）的隱形傳態(tài)協(xié)議，利用兩個(gè)經(jīng)典比特信道和一個(gè)纏繞比特實(shí)現(xiàn)了一個(gè)量子比特的傳輸。這個(gè)傳輸過(guò)程先是制備兩個(gè)有糾纏的量子（粒子）A和B，假如張三和李四各持一個(gè)。然后，張三對(duì)需要傳送的量子態(tài)X和手中的A做“貝爾測(cè)量”，確認(rèn)兩個(gè)粒子陷入糾纏。測(cè)量后，X的量子態(tài)坍縮了，但它的狀態(tài)信息隱藏在A中，使A也發(fā)生變化，但并非坍縮。
因?yàn)锳和B互相糾纏，A的變化立即影響B(tài)，讓B也發(fā)生變化。不過(guò)這個(gè)時(shí)候李四還不能觀察B，直到從經(jīng)典通道得到張三傳來(lái)的信息。
張三將測(cè)量結(jié)果（即A發(fā)生的變化）告訴李四，然后，李四對(duì)B進(jìn)行相應(yīng)的變換處理，就能使B成為和原來(lái)的X一模一樣的量子態(tài)。這個(gè)傳輸過(guò)程完成之后，雖然X坍縮了，但X所有的信息都傳輸?shù)搅薆上，這個(gè)過(guò)程就被稱(chēng)為隱形傳態(tài)。
量子隱形傳態(tài)中傳遞的量子信息是一種量子態(tài)，B粒子獲得A粒子最初的狀態(tài)時(shí)，A粒子的狀態(tài)必然改變。在任何時(shí)刻都只能有一個(gè)粒子處于目標(biāo)狀態(tài)，所以只是狀態(tài)的“移動(dòng)”，而不是“復(fù)制”。
被嚴(yán)格證明的無(wú)條件安全
根據(jù)量子的不可克隆特性，任何竊聽(tīng)者試圖攔截量子通信時(shí)，都會(huì)對(duì)量子態(tài)造成破壞。收發(fā)信息雙方只要對(duì)比部分密鑰，就能斷定信息是否被截獲。
復(fù)制（即克隆）任何一個(gè)粒子的狀態(tài)前，首先都要測(cè)量這個(gè)狀態(tài)。但是量子態(tài)非常脆弱，任何測(cè)量都會(huì)改變量子態(tài)本身，即令量子態(tài)坍縮，因此量子態(tài)無(wú)法被任意克隆。這種量子的不可克隆特性已經(jīng)經(jīng)過(guò)了數(shù)學(xué)上的嚴(yán)格證明。
竊聽(tīng)者試圖攔截經(jīng)典信息時(shí)，就會(huì)復(fù)制這份經(jīng)典信息。在量子態(tài)傳輸過(guò)程中，因?yàn)闊o(wú)法克隆任意量子態(tài)，于是在竊聽(tīng)者竊聽(tīng)攔截量子通信的時(shí)候，就會(huì)銷(xiāo)毀他所截獲到的這個(gè)量子態(tài)。
正因如此，我們直接傳輸量子比特時(shí)，不用建立量子密碼。量子密鑰的產(chǎn)生過(guò)程，同時(shí)就是分配過(guò)程，通信雙方同時(shí)獲得密鑰，并不需要第三者信使在中間傳輸。
量子密鑰分配，就是建立起完全安全的密鑰傳輸通道。因?yàn)楣庾佑袃蓚€(gè)偏振方向，而且相互垂直，所以信息的發(fā)送者和接收者，都可以簡(jiǎn)單地選取90度的測(cè)量方式或45度的測(cè)量方式來(lái)測(cè)量光子。
得到全部測(cè)量結(jié)果后，他們之間通過(guò)經(jīng)典信道，如電話、QQ等建立聯(lián)系，互相分享各自用過(guò)的測(cè)量方式，相同的測(cè)量方式所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制比特，就是他們最終生成的密碼。需要注意的是，只有當(dāng)發(fā)送方和接收方所選擇的測(cè)量方式相同的時(shí)候，傳輸比特才能被保留下來(lái)用作密鑰。
想知道是否存在截獲者，發(fā)送方和接收方只需要拿出一小部分密鑰來(lái)對(duì)照。如果發(fā)現(xiàn)互相有25%的不同，那么就可以斷定信息被截獲了。同理，如果信息未被截獲，那么二者密碼的相同率是100%。如果發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)，就立刻關(guān)閉通信，或重新分配密鑰，直到?jīng)]人竊聽(tīng)為止。
正是由于量子不可克隆定理，讓接收方能夠察覺(jué)密鑰的錯(cuò)誤，停止密鑰通信，從而也就保證了量子加密信息的絕對(duì)安全性。
超光速通信依舊無(wú)法實(shí)現(xiàn)
即便量子糾纏速度可超越光速，但這種量子態(tài)的改變并不為人類(lèi)意志所發(fā)生變化。具體的信息由一串有序符號(hào)構(gòu)成，這種信息的發(fā)送無(wú)法超越光的速度。
中國(guó)科學(xué)家潘建偉帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)曾在青海做過(guò)量子糾纏的速度下限測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明量子糾纏的速度至少是光速的上萬(wàn)倍。那么，利用量子糾纏特性能否實(shí)現(xiàn)超光速通信呢？答案是否定的。
如果把甲乙兩個(gè)糾纏粒子放在AB兩地，改變A地的粒子，B地粒子也同時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變。由于量子力學(xué)的非局域性，這種改變只能是隨機(jī)的，并不會(huì)完全按照人的意愿進(jìn)行。因?yàn)椋行У男畔⒈仨毷且贿B串最基本的有序符號(hào)構(gòu)成，如果01011000代表的是一個(gè)蘋(píng)果的信息，那么我們操縱一個(gè)量子糾纏系統(tǒng)，就得迫使它按順序發(fā)送0101100這樣的符號(hào)。
很可惜，操縱量子得到的結(jié)果只是隨機(jī)的。這是量子物理最令人困惑的一點(diǎn)：當(dāng)你知道系統(tǒng)完整狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以通過(guò)糾纏獲取系統(tǒng)某一個(gè)部分的信息，但是不能從糾纏系統(tǒng)的某個(gè)部分創(chuàng)建并發(fā)送信息到另一部分。盡管這個(gè)想法很聰明，但超光速通信依然是不可能實(shí)現(xiàn)的。
量子力學(xué)中狀態(tài)的變化是瞬時(shí)的，在科幻電影中，經(jīng)常有把人從一個(gè)地方瞬間傳送到另一個(gè)地方的鏡頭，甚至認(rèn)為依靠糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)的量子隱形傳態(tài)可以推翻相對(duì)論，實(shí)現(xiàn)超光速傳輸。
其實(shí)，這也是一種誤解。量子隱形傳態(tài)的方案包括若干步，其中一步是上文中的張三將測(cè)量結(jié)果（即A發(fā)生的變化）告訴李四，才能把B粒子的狀態(tài)變成目標(biāo)狀態(tài)。這個(gè)信息需要用經(jīng)典的通信方式，例如打電話、發(fā)郵件等，速度不能超過(guò)光速，所以基于量子糾纏的量子隱形傳態(tài)速度也不能超過(guò)光速。
來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)
