量(liang)子力學的建立帶來了第(di)一次(ci)量(liang)子革命，催生了以現代信(xin)息技(ji)術為代表(biao)的第(di)三(san)次(ci)工(gong)業革命，從根本上改變(bian)了人類的生活(huo)方式和社會面貌(mao)。

　　隨著(zhu)人類對量(liang)(liang)子力學的(de)認(ren)識(shi)、理(li)解(jie)和(he)研究不斷深入(ru)，以微觀粒子系統為(wei)操控對象(xiang)，借助其(qi)獨特物理(li)現象(xiang)進(jin)行信息獲取(qu)、處理(li)和(he)傳輸的(de)量(liang)(liang)子信息技術應運而生(sheng)，并有望推動第二(er)次量(liang)(liang)子革命，對未來社(she)會產(chan)生(sheng)本質的(de)影響。

　　量子(zi)(zi)信(xin)(xin)(xin)息(xi)技術(shu)(shu)主要(yao)包括量子(zi)(zi)計算(suan)、量子(zi)(zi)通(tong)信(xin)(xin)(xin)和量子(zi)(zi)測量三大領域，其中(zhong)，量子(zi)(zi)通(tong)信(xin)(xin)(xin)已(yi)經成為(wei)信(xin)(xin)(xin)息(xi)通(tong)信(xin)(xin)(xin)技術(shu)(shu)演進和產業升級的關注焦點(dian)之一。

　　糾纏特性讓一(yi)對量子“心靈相通”

　　一(yi)(yi)對糾纏量(liang)子即使相距遙遠距離(li)，其中一(yi)(yi)個粒(li)子的行為也會瞬間影響(xiang)另一(yi)(yi)個的狀態，這(zhe)種空間影響(xiang)速度可(ke)超越光速，打(da)破(po)了愛因斯坦提出的定域性原理。

　　量(liang)子通信(xin)利用量(liang)子疊(die)加(jia)態(tai)(tai)(tai)或(huo)量(liang)子糾(jiu)纏效(xiao)應(ying)等進行信(xin)息或(huo)密鑰傳輸(shu)，基于量(liang)子力學(xue)原(yuan)理保證傳輸(shu)安全性，主(zhu)要分(fen)量(liang)子隱形傳態(tai)(tai)(tai)和量(liang)子密鑰分(fen)發兩類。這個過程(cheng)中(zhong)，量(liang)子的(de)疊(die)加(jia)態(tai)(tai)(tai)特性發揮了(le)重要作用，甚至量(liang)子糾(jiu)纏也是多粒(li)子的(de)一種疊(die)加(jia)態(tai)(tai)(tai)。

　　量(liang)子(zi)糾纏(chan)指的(de)(de)是粒(li)子(zi)在由(you)兩個或兩個以上粒(li)子(zi)組(zu)成(cheng)系統中相互(hu)影響(xiang)的(de)(de)現象，即使相距遙(yao)遠，一(yi)個粒(li)子(zi)的(de)(de)行為也會影響(xiang)另一(yi)個的(de)(de)狀態(tai)。當其中一(yi)顆被操作(zuo)（例(li)如(ru)量(liang)子(zi)測量(liang)）而(er)狀態(tai)發生(sheng)變化，另一(yi)顆也會即刻發生(sheng)相應的(de)(de)狀態(tai)變化。

　　這(zhe)種跨(kua)越空(kong)(kong)間(jian)的、瞬間(jian)影響(xiang)雙方的量(liang)子(zi)(zi)糾纏(chan)，曾經被稱為(wei)“鬼魅(mei)似的超距作用”，愛(ai)因斯坦(tan)曾據此來質疑量(liang)子(zi)(zi)力(li)學的完備(bei)性，因為(wei)這(zhe)個超距作用違反(fan)了他(ta)提出的定域性原理，即任(ren)何(he)空(kong)(kong)間(jian)上相(xiang)互影響(xiang)的速度都(dou)不能超過光速。

　　物理學家(jia)玻(bo)姆在(zai)愛因斯坦的(de)(de)定(ding)域性基礎上，提(ti)出了(le)隱(yin)變量(liang)理論來解(jie)釋這種超距相互作用，他(ta)認(ren)為微觀粒子沒有(you)(you)客(ke)觀實(shi)在(zai)性，只有(you)(you)當(dang)人們測量(liang)時它們才具有(you)(you)確(que)定(ding)的(de)(de)性質。物理學家(jia)貝(bei)爾通過(guo)實(shi)驗論證了(le)量(liang)子非定(ding)域性的(de)(de)存在(zai)，向世人證明了(le)量(liang)子糾纏是(shi)非定(ding)域的(de)(de)，而隱(yin)變量(liang)理論是(shi)錯的(de)(de)。

　　1984年，IBM的(de)貝內特和蒙特利爾大學的(de)布拉薩德提出了第一個實(shi)用型量子密(mi)鑰分配系統，被稱(cheng)BB84方案，正式標(biao)志量子保密(mi)通信的(de)誕生(sheng)。

　　BB84方案的基(ji)本原理是，收發雙(shuang)方的信息可以用(yong)光子偏振(zhen)態(tai)表示，假(jia)如張三利(li)用(yong)隨機(ji)偏振(zhen)發送信息，李四(si)發現并記錄下信息。然后，張三在公頻告知李四(si)偏振(zhen)頻率，雙(shuang)方按照正確的偏振(zhen)比對選擇的信息部分(fen)。

　　事實上，BB84方案雖然(ran)應用(yong)了量(liang)(liang)子通(tong)(tong)道，傳(chuan)輸的(de)卻仍是(shi)經典信(xin)息(xi)，而真正(zheng)的(de)量(liang)(liang)子通(tong)(tong)信(xin)是(shi)將信(xin)息(xi)編碼在量(liang)(liang)子比特上，在量(liang)(liang)子通(tong)(tong)道上將量(liang)(liang)子比特從甲方傳(chuan)給(gei)乙方，直(zhi)接實現信(xin)息(xi)的(de)傳(chuan)遞。

　　比如在經(jing)典通信(xin)中，張三將需要傳(chuan)輸(shu)的(de)文(wen)件經(jing)過掃描后得到的(de)信(xin)息，通過經(jing)典通道傳(chuan)送給(gei)李四(si)，后者可將文(wen)件打印出來。然而(er)，張三不(bu)(bu)可能(neng)用這(zhe)種方式將一個量(liang)子(zi)態(tai)傳(chuan)輸(shu)給(gei)李四(si)。因為要傳(chuan)輸(shu)就必(bi)須(xu)要測量(liang)，但量(liang)子(zi)態(tai)一經(jing)測量(liang)便發生(sheng)坍(tan)縮，不(bu)(bu)再是(shi)原來的(de)量(liang)子(zi)態(tai)了。

　　那么，如何在不引(yin)起坍縮的情況下(xia)，將一個量子態傳輸出去呢？

　　1993年貝內特(te)等人提(ti)出了(le)基于EPR對(dui)（總動量(liang)(liang)總自旋為零的(de)(de)粒(li)子對(dui)）的(de)(de)隱形傳(chuan)態(tai)協議(yi)，利用(yong)兩(liang)個(ge)經典比(bi)特(te)信道和一(yi)(yi)個(ge)纏(chan)繞(rao)比(bi)特(te)實現(xian)了(le)一(yi)(yi)個(ge)量(liang)(liang)子比(bi)特(te)的(de)(de)傳(chuan)輸。這個(ge)傳(chuan)輸過程(cheng)先是制備兩(liang)個(ge)有糾(jiu)纏(chan)的(de)(de)量(liang)(liang)子（粒(li)子）A和B，假如(ru)張三和李四各持一(yi)(yi)個(ge)。然后(hou)，張三對(dui)需要傳(chuan)送的(de)(de)量(liang)(liang)子態(tai)X和手中(zhong)的(de)(de)A做“貝爾(er)測量(liang)(liang)”，確認(ren)兩(liang)個(ge)粒(li)子陷入糾(jiu)纏(chan)。測量(liang)(liang)后(hou)，X的(de)(de)量(liang)(liang)子態(tai)坍(tan)縮(suo)了(le)，但它的(de)(de)狀態(tai)信息隱藏在A中(zhong)，使(shi)A也發生變化，但并非坍(tan)縮(suo)。

　　因(yin)為A和B互相(xiang)糾纏，A的變化(hua)立即影(ying)響B，讓B也發(fa)生變化(hua)。不過這個時候李四還不能觀察B，直到從(cong)經典通道得(de)到張(zhang)三傳(chuan)來的信息。

　　張三將測量(liang)(liang)結(jie)果（即A發生(sheng)的(de)變化）告訴李(li)(li)四，然(ran)(ran)后(hou)，李(li)(li)四對B進行相應的(de)變換(huan)處理(li)，就能(neng)使B成為(wei)和原來的(de)X一模一樣的(de)量(liang)(liang)子態。這(zhe)個(ge)傳輸(shu)過程(cheng)完成之后(hou)，雖然(ran)(ran)X坍(tan)縮了(le)，但X所有的(de)信(xin)息(xi)都傳輸(shu)到了(le)B上，這(zhe)個(ge)過程(cheng)就被稱(cheng)為(wei)隱形傳態。

　　量(liang)子隱(yin)形傳(chuan)態(tai)(tai)中傳(chuan)遞的(de)(de)量(liang)子信息是一(yi)種(zhong)量(liang)子態(tai)(tai)，B粒(li)子獲得A粒(li)子最(zui)初的(de)(de)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)時(shi)，A粒(li)子的(de)(de)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)必然改(gai)變(bian)。在任何時(shi)刻都只(zhi)能(neng)有一(yi)個粒(li)子處于目標狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)，所以只(zhi)是狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)的(de)(de)“移(yi)動”，而(er)不是“復(fu)制”。

　　被嚴格證明的無條(tiao)件安全

　　根據量(liang)子的(de)不可克隆(long)特性，任何竊聽者試圖攔截量(liang)子通信時，都會對量(liang)子態造成破壞(huai)。收發(fa)信息雙方只要(yao)對比部分密鑰(yao)，就能(neng)斷定信息是否被截獲(huo)。

　　復制（即克隆）任何(he)一個粒子(zi)的狀態(tai)前，首(shou)先(xian)都要測量(liang)(liang)(liang)這(zhe)個狀態(tai)。但是(shi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)態(tai)非常脆(cui)弱，任何(he)測量(liang)(liang)(liang)都會(hui)改(gai)變量(liang)(liang)(liang)子(zi)態(tai)本(ben)身，即令量(liang)(liang)(liang)子(zi)態(tai)坍縮(suo)，因(yin)此(ci)量(liang)(liang)(liang)子(zi)態(tai)無(wu)法被(bei)任意克隆。這(zhe)種量(liang)(liang)(liang)子(zi)的不可克隆特性已經經過了數學上的嚴(yan)格(ge)證明。

　　竊聽者(zhe)試圖攔截經典信息時，就(jiu)會復制(zhi)這份經典信息。在(zai)(zai)量(liang)(liang)子(zi)態傳輸過程中，因為(wei)無法克隆任意量(liang)(liang)子(zi)態，于是在(zai)(zai)竊聽者(zhe)竊聽攔截量(liang)(liang)子(zi)通信的時候，就(jiu)會銷毀(hui)他所截獲到的這個量(liang)(liang)子(zi)態。

　　正因如此，我們直(zhi)接傳(chuan)輸量(liang)(liang)子比(bi)特(te)時，不(bu)用建立量(liang)(liang)子密碼。量(liang)(liang)子密鑰的(de)產生過程，同時就是分配過程，通信雙(shuang)方同時獲得密鑰，并不(bu)需要第(di)三(san)者信使在中間傳(chuan)輸。

　　量子密鑰分配，就是建立起完全(quan)安(an)全(quan)的(de)密鑰傳輸通道。因為光子有(you)兩個(ge)偏振方(fang)向，而且相互垂(chui)直(zhi)，所(suo)以(yi)信(xin)息(xi)的(de)發送者和接收者，都可以(yi)簡單地選(xuan)取90度的(de)測(ce)(ce)量方(fang)式(shi)或45度的(de)測(ce)(ce)量方(fang)式(shi)來測(ce)(ce)量光子。

　　得到全部(bu)測(ce)量(liang)結果(guo)后，他們(men)之間(jian)通過(guo)經典信道，如電(dian)話、QQ等建立聯系，互相分享各自(zi)用(yong)過(guo)的(de)測(ce)量(liang)方(fang)式，相同的(de)測(ce)量(liang)方(fang)式所(suo)對應的(de)二進制比特，就是(shi)他們(men)最終(zhong)生成的(de)密碼。需要注意的(de)是(shi)，只有當發送方(fang)和接(jie)收方(fang)所(suo)選擇的(de)測(ce)量(liang)方(fang)式相同的(de)時候，傳輸比特才能被保留(liu)下(xia)來用(yong)作密鑰。

　　想(xiang)知(zhi)道是(shi)否存(cun)在截獲者，發送(song)方和接收(shou)方只(zhi)需要拿出一小部分(fen)密(mi)鑰來對照。如果發現互相有25%的不同(tong)，那么就可(ke)以斷定(ding)信息(xi)被截獲了。同(tong)理，如果信息(xi)未(wei)被截獲，那么二(er)者密(mi)碼的相同(tong)率是(shi)100%。如果發現竊聽，就立刻關(guan)閉通信，或重新分(fen)配密(mi)鑰，直到沒人(ren)竊聽為止(zhi)。

　　正是由(you)于量子(zi)不(bu)可克隆定理(li)，讓接收方(fang)能夠(gou)察覺密鑰(yao)的錯誤，停(ting)止(zhi)密鑰(yao)通信(xin)，從而也就保證(zheng)了量子(zi)加密信(xin)息的絕對安(an)全性。

　　超光速通信依舊無法實現

　　即便量子(zi)糾纏速度(du)可超(chao)越(yue)(yue)光(guang)速，但(dan)這種量子(zi)態的改(gai)變并不為人類意志所發(fa)生變化。具體(ti)的信息由(you)一串有(you)序符號構成，這種信息的發(fa)送無(wu)法(fa)超(chao)越(yue)(yue)光(guang)的速度(du)。

　　中國科學家潘建偉帶領(ling)其團(tuan)隊(dui)曾在青海做過量子糾纏的(de)速(su)度(du)下(xia)限測試，實(shi)驗表明量子糾纏的(de)速(su)度(du)至少(shao)是光速(su)的(de)上萬倍。那么，利用量子糾纏特性(xing)能否實(shi)現超光速(su)通信呢？答案是否定(ding)的(de)。

　　如果把甲乙兩個糾(jiu)纏粒子(zi)(zi)放在AB兩地，改(gai)變(bian)(bian)A地的(de)(de)粒子(zi)(zi)，B地粒子(zi)(zi)也同時(shi)發生相(xiang)應改(gai)變(bian)(bian)。由(you)于量子(zi)(zi)力學的(de)(de)非局域性(xing)，這種改(gai)變(bian)(bian)只(zhi)能(neng)是(shi)隨機的(de)(de)，并不會完全按照人的(de)(de)意愿進(jin)行(xing)。因為，有效的(de)(de)信(xin)息(xi)(xi)必(bi)須是(shi)一連(lian)串最(zui)基本的(de)(de)有序符號構成，如果01011000代表的(de)(de)是(shi)一個蘋果的(de)(de)信(xin)息(xi)(xi)，那么我們操縱一個量子(zi)(zi)糾(jiu)纏系統(tong)，就得迫使它(ta)按順序發送0101100這樣的(de)(de)符號。

　　很可(ke)惜，操(cao)縱量(liang)(liang)子得到的(de)(de)(de)結果只是隨機的(de)(de)(de)。這(zhe)是量(liang)(liang)子物(wu)理最令(ling)人困惑(huo)的(de)(de)(de)一(yi)點：當(dang)你知(zhi)道系(xi)統完整狀(zhuang)態(tai)，并(bing)對系(xi)統的(de)(de)(de)其余部分(fen)進行測量(liang)(liang)時(shi)，可(ke)以通過糾纏(chan)獲取系(xi)統某(mou)一(yi)個(ge)部分(fen)的(de)(de)(de)信息，但是不(bu)能從糾纏(chan)系(xi)統的(de)(de)(de)某(mou)個(ge)部分(fen)創建并(bing)發送信息到另一(yi)部分(fen)。盡管這(zhe)個(ge)想法很聰(cong)明(ming)，但超(chao)光(guang)速通信依然是不(bu)可(ke)能實現的(de)(de)(de)。

　　量子(zi)力(li)學中(zhong)(zhong)狀態的變化是瞬時的，在科(ke)幻(huan)電影中(zhong)(zhong)，經常有把人從一個(ge)地(di)(di)方瞬間傳(chuan)送到另一個(ge)地(di)(di)方的鏡頭，甚至(zhi)認為(wei)依靠糾纏來實現(xian)的量子(zi)隱形(xing)傳(chuan)態可以(yi)推翻(fan)相對(dui)論，實現(xian)超光速傳(chuan)輸。

　　其實，這(zhe)也是(shi)一(yi)種誤解。量(liang)子(zi)隱形傳態(tai)的(de)(de)方案(an)包括若干步，其中(zhong)一(yi)步是(shi)上文(wen)中(zhong)的(de)(de)張三將測(ce)量(liang)結果(guo)（即(ji)A發(fa)生的(de)(de)變(bian)化）告訴李四，才能把B粒子(zi)的(de)(de)狀(zhuang)態(tai)變(bian)成目標狀(zhuang)態(tai)。這(zhe)個信息需(xu)要用經典的(de)(de)通信方式，例如打電話、發(fa)郵件(jian)等(deng)，速(su)度不(bu)能超(chao)(chao)過光(guang)速(su)，所以(yi)基于量(liang)子(zi)糾纏(chan)的(de)(de)量(liang)子(zi)隱形傳態(tai)速(su)度也不(bu)能超(chao)(chao)過光(guang)速(su)。