量子加密通訊的過程和量子隱形傳輸

什么是信息？

信息的一個比較被認可的定義是1948年數(shù)學家香農(nóng)在論文中提出的：信息是用來消除隨機不定性的東西。

比如，盒子里有一個硬幣，它可以是正面向上，也可以是反面向上，在打開前我們是不確定的。

然后我們打開盒子，我們眼睛看到的盒子硬幣反射出來的光就是一個信息，因為它可以讓我們消除正反面的不確定性，讓我們得到一個確定的結(jié)果。

通訊最重要的要素就是信息，所以如果這個過程中沒有涉及到信息的傳遞，那么就不能稱為通訊。

而我們知道，信息傳遞的介質(zhì)，光，聲音，引力波等等都是以小于等于光速的速度傳播的，這就是為什么說信息傳遞的速度要低于光速了。

什么是量子糾纏？

假如說一個盒子里有兩個硬幣，而這兩個硬幣的狀態(tài)是隨機的，那么在打開盒子前，盒子里面就有如圖的四種可能。

一個電子類似于硬幣，也是有兩種狀態(tài)，上旋和下旋。

一個盒子里有兩個電子，這兩個電子的狀態(tài)也是隨機的，那么在打開盒子觀察前，盒子里的電子也是有如圖的四種可能。

但是電子特殊的一點是，當兩個電子靠的足夠接近的時候，它們兩個就可能發(fā)生一種變化，它們會釋放出一個光子，同時兩個電子進入了一個糾纏狀態(tài)。此時兩個電子就不是有四種可能，而是變成如圖的只有這兩種可能了，就是說兩個電子的狀態(tài)一定是相反的。

當我們把兩個電子分開，放到兩個很遠很遠的地方，這兩個電子的這種關(guān)系依舊會存在，當我們測量其中的一個電子，發(fā)現(xiàn)它比如是上旋的時候，那么我們立刻知道，遙遠另一個地方的那個電子一定是下旋的。

這里要注意一點，宏觀世界里，在觀察前盒子里的硬幣是已經(jīng)有了一個客觀存在的狀態(tài)的（比如是正面），可是對于微觀的電子來講，在測量前它是沒有一個客觀存在的狀態(tài)的，它是處于上旋和下旋的疊加狀態(tài)中，測量的過程才賦予了它一個確定的狀態(tài)。

一旦進行測量之后，兩個電子的糾纏態(tài)就會被打破了，變成了完全獨立的兩個電子了。

這就是量子糾纏，不僅是電子，光子，中子等等其他的粒子也同樣可以有量子糾纏的現(xiàn)象。

量子糾纏并不能用作超光速信息傳遞，是因為，無論我們對A電子作何種操作，B電子附近的人都是無法知道的，他們不知道我們是否對A進行了測量，也無法知道我們對A進行的任何其他操作。無論我們對A做了什么，B處的人對B測量的時候都是有一半概率是上旋，一半概率是下旋。這個過程中沒有任何信息可以通過兩個電子之間進行傳遞。

那什么是量子通訊？

量子通訊，更嚴格的講應該叫做量子加密通訊，這樣稱呼的話就沒有那么多的歧義了。

在通訊的時候，我們?yōu)榱俗屝畔⒈Ｃ?，不被別人知道，常常會對信息進行加密。

有一個密鑰，是只有A和B知道的，利用這個密鑰，A把信息進行處理加密變成一段密文，這樣就算其他人截取了密文也不能知道A想傳遞的信息是什么。而B收到信息之后，利用手上的密鑰把密文解密，就又得到了明文，知道A想傳遞的信息是什么。

可是經(jīng)典的加密通訊，非常可能被破解，敵人可能通過破解或其他途徑得知你們密鑰，這樣就可以隨意竊聽你們想傳遞的信息。

而量子加密通訊，理論上可以做到讓敵人永遠無法破解你們的通訊。

量子加密通訊有兩條傳輸通道，一條傳遞糾纏粒子對（通常是糾纏光子），一條利用電磁波傳輸經(jīng)典的信息。

第一步，A和B首先對依次收到到糾纏光子對進行處理，通過一組隨機生成的偏振片?？词欠衲芡ㄟ^得到一組數(shù)據(jù)。

第二步，A和B互相把自己所用的偏振片組通過經(jīng)典信息途徑傳遞傳遞給對方，這樣偏振片不相同的那些數(shù)據(jù)就被舍棄，A和B就得到了一組完全相同的，只有他們自己知道的密鑰。

第三步，B將所得到密鑰的一部分發(fā)給A，A檢測如果和自己的密鑰相符，那么就證明這個過程中沒有其他人在監(jiān)聽，兩邊的數(shù)據(jù)是有效的。（這一步后面會解釋。）

第四步，A將想傳遞的信息通過密鑰加密成密文，通過經(jīng)典途徑傳遞給B，B用密文解密得到明文。

以上就是量子加密通訊的過程。

這里要說明一下。

在經(jīng)典的通訊中，我是可以截取本來應該發(fā)給B 的信息，然后偽造完全相同的信息再發(fā)給B，這樣A和B就無法發(fā)覺有人在監(jiān)聽。

而在量子通訊中，因為粒子的量子狀態(tài)是無法復制的，一旦有人攔截了本應該發(fā)給B 的糾纏光子，他是無法復制出完全相同的一列光子發(fā)給B的，那么第三步中，A就會發(fā)現(xiàn)B發(fā)給自己數(shù)據(jù)和自己手上的數(shù)據(jù)不相同，立刻可以發(fā)現(xiàn)有人在監(jiān)聽。

所以說，從理論上，量子加密通訊是無法被破解的，可以做到絕對的安全。

還有一種更魔幻的量子糾纏應用，就是量子隱形傳輸。

量子隱形傳輸就是科幻電視電影里所說的傳送裝置。

假如我們用量子隱形傳輸來傳輸人（理論上可行，但是實際操作起來我覺得永遠都不可能做到）。

過程就是，A處和B處有大量互相糾纏的粒子，A處的人和糾纏粒子相互作用并被摧毀（根據(jù)量子學定律這是必然的）。一系列數(shù)據(jù)通過經(jīng)典途徑以光速傳到B，然后遙遠的B處利用這些糾纏粒子和從A傳過來的數(shù)據(jù)生成了一個和A處完全相同的人，這個人擁有原來那個人所有的記憶和意識，他只覺得自己突然間從A 傳到了B。

怎么理解量子隱形傳輸呢？

量子隱形傳輸，是一種容許我們把A處粒子的量子態(tài)傳輸給B處的一個粒子的技術(shù)。是一個很復雜很難理解的過程。這里就不詳細描述。

我們這里只介紹一種更加容易理解的情況。

那就是把一個已知狀態(tài)的粒子（比如上旋的電子），把它的狀態(tài)傳遞給遙遠地方的另一個電子。

第一步

我們需要在A和B有一對糾纏的電子，我們把A處的糾纏電子同需要傳輸?shù)碾娮臃诺揭黄稹?/p>

第二步

對這兩個挨著的電子進行測量，但是不是直接測量它們各自狀態(tài)，而是去測量比如它們兩個的狀態(tài)是相同還是不同。

第三步

如果A處兩個粒子的狀態(tài)是相同的，我們發(fā)出信息讓B處的人用磁場將糾纏粒子旋轉(zhuǎn)，于是B處的的糾纏粒子就變成了上旋。

如果A處兩個粒子的狀態(tài)是相反的，那么我們發(fā)出信息告訴B處的人不用做任何操作，B處的糾纏粒子本身就是上旋的。

同樣，對于一個不知道量子態(tài)的電子，也是可以做到無損的把它的量子態(tài)傳輸給B處的某個電子的，只是過程要復雜的多。

而這一過程為什么叫做隱形傳輸，是因為這個過程需要傳輸?shù)男畔ⅲū热缫狟處進行旋轉(zhuǎn)操作，或者不操作）對于B以外的人是完全沒有任何意義的，你不可能從中得到任何信息，只有擁有另一個糾纏粒子的B才能讓這條信息變得有意義。