量子通信：偷不走?的密碼本

科幻電影里常有這樣的場景：乘客走進(jìn)“超時空傳送機(jī)”，機(jī)器開始運(yùn)轉(zhuǎn)，一眨眼乘客就被傳送到數(shù)萬光年以外的星系。近日，中國科學(xué)家在“量子通信”方面的順利進(jìn)展——實(shí)現(xiàn)了目前世界上最長距離的“量子通信傳輸”，引起了公眾的普遍好奇，這很大程度上是因?yàn)橐恍┟襟w的報(bào)道中，把量子通信的性質(zhì)理解為上述的“超遠(yuǎn)距離瞬移”——從地球遁去火星，耗費(fèi)時間為零。

實(shí)際上“量子通信”倒沒有這么神奇。這種通信技術(shù)的激動人心之處，不在于傳播信息的速度，而是它“絕不泄密”的本事。

“科學(xué)家所做的，就是尋找合適的方法，讓量子通信能夠逐漸增加距離，最終投入實(shí)用?！痹谥袊?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">科技大學(xué)教授，量子信息學(xué)家韓正甫看來，中國科學(xué)家近年在這一領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)展，讓量子通信技術(shù)開發(fā)的前景越來越光明。

為什么量子通信能不被竊聽

先回頭說說量子理論，20世紀(jì)初的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，能量或物質(zhì)細(xì)小到一定限度，就無法被準(zhǔn)確測量了（測不準(zhǔn)原理）。因?yàn)闇y量意味著干涉，當(dāng)被測量物微小到了極限，就不可能不被測量完全改變。理論上完美到極致的顯微鏡，對于一個量子級別的粒子也束手無策，因?yàn)橐弧芭觥本蜌牧肆Ｗ拥拇郎y狀態(tài)。

量子理論作為現(xiàn)代物理學(xué)的核心理論，百年來被無數(shù)次證明和應(yīng)用，也被每一個物理學(xué)家熟知。而利用量子效應(yīng)來保護(hù)通信密碼的創(chuàng)意，是上世紀(jì)80年代美國人提出的。

這個想法的實(shí)質(zhì)在于：假如讓量子態(tài)的粒子攜帶密碼信息，就不會被半路監(jiān)測和盜取了。換句話說：如果信息僅“附著”在一個光子或電子上，當(dāng)間諜“偷聽”時，信息就被偷聽動作改變了。靠著極端“脆弱”，這條信息通道可以保證內(nèi)容的絕密。

科學(xué)家如何利用量子來傳輸信息呢？這就要用到“量子糾纏”的物理特性。

量子糾纏：永遠(yuǎn)同步的雙胞胎

《格林童話》里提到：一對雙胞胎兄弟心靈相通，即便是分道揚(yáng)鑣天各一方，弟弟遇難，哥哥即刻得知。

在微觀世界里，也有“心靈感應(yīng)”的可能。這就是曾被愛因斯坦稱作“幽靈般的超距離作用”的“量子糾纏”。根據(jù)量子力學(xué)，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠(yuǎn)，只要一個粒子發(fā)生變化就能立即影響到另外一個粒子，即兩個處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都能“感知”對方的狀態(tài)。

量子糾纏現(xiàn)象，使得光子、電子甚至是原子之間能相互影響，相互制約，從而傳遞信息。理論上講，這種糾纏可以使兩點(diǎn)之間，不論距離的即時通信順利完成。這種“超距離通信”不僅讓人們感到新奇，而且給了科學(xué)家利用它來傳遞密鑰的機(jī)會。

隨機(jī)狀態(tài)：偷不走的密碼本

以往無論是二戰(zhàn)時德軍、日軍的電報(bào)密碼本，還是防盜版用的軟件加密算法，總有被人偷走或破譯的危險(xiǎn)。然而，靠著量子糾纏的特性，科學(xué)家就可以給出一個無法竊取、也無從破譯的密鑰——你知我知，天不知地不知。

只要制造一對糾纏的粒子A和B，分別給信息的傳送人和接收人，這對粒子就好像古代戰(zhàn)爭用的虎符一樣，總是嚴(yán)格吻合的。

A粒子的狀態(tài)，在傳送人的測量下，表現(xiàn)為一系列隨機(jī)值；由于A和B糾纏互感，所以十萬八千里外的B粒子，也表現(xiàn)出了一系列的對應(yīng)值。也就是說，發(fā)信人和收信人掌握了同一套隨機(jī)數(shù)列——這就是密鑰。

密鑰的載體是量子態(tài)的粒子，所以不能被半路偵測（測不準(zhǔn)原理）。有了絕對安全的密鑰，傳送人可以放心大膽地把信息加密后傳出去了。偷窺者會對這些加密信息束手無策。