量子通信，中国领先

中国弯道超车

2019年年初，在世界最大的综合性科學组织——美国科学促进会的年会上，中国科学技术大学潘建伟教授领衔的“墨子号”量子科学实验卫星团队被授予克利夫兰奖。这是美国科学促进会设立该奖项九十余年来，首次将该奖项授予中国本土的科学家团队。2017年6月16日，墨子号成功实现两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200千米的距离后，仍可继续保持其量子纠缠状态的实验，为推动大尺度量子通信实验研究做出了卓越贡献。

美国《科学》杂志主编杰瑞·米伯格表示：“中国的量子通信研究是一项包含了从基础物理学到卫星技术等在内的科技成果，近些年中国在科学领域所取得的进展让我感到非常震撼。”

量子通信事关国家的信息和国防安全，这个战略性领域已经成为发达国家优先发展的信息科技和产业高地。美国对量子通信的理论和实验研究开始较早，并最先将其列入国家战略。欧盟和日本也都各自制定了量子信息技术长期发展路线图。

虽然在全球量子通信竞赛中，中国起步并非最早，但是在科学家们的不懈努力下，目前中国在量子通信领域已经实现了“弯道超车”，引领世界潮流。潘建伟团队在2007年首次实现安全通信距离超过100千米的光纤量子密钥分发，2016年中国发射全球首颗量子科学实验卫星——墨子号;2017年，中国和奥地利科学家在北京和维也纳两地进行了世界首次洲际量子保密通信，以此进行了视频通话。同年，世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通……潘建伟表示，希望到2030年左右，能建成全球化的广域量子通信网络，并在量子计算领域有所作为。

当代的“密码危机”

其实，“量子通信”这个词起得不好，很容易让人误解。首先，这世界上还没有量子通信，严格来说应该是：“量子加密通信”，它解决的是通信加密问题;其次，在通信加密领域，量子通信是一个有益补充，而不是对原有加密方法的颠覆。

今天每个普通人都离不开密码。当你在网上购物，当你用手机通话或收发微信，所有信息都在开放的网络上传输，很容易被黑客截获。据估计，每天全世界生产总值一半以上的金融交易都在网上进行，如果失去可靠的密码技术保护，必将引起世界级的金融灾难！

现代化的军队也比过去更依赖于密码技术。如果遥测遥控的信息被盗，敌方可以隐藏保护自己，或者可以改变导弹的轨迹，甚至操纵无人机据为己有。事实上对今日的攻击方而言，使用导弹和飞机已是多余，如果能破解对方的密码系统，发个命令就可以秒杀对方城市的供电、公交和通讯系统，真正达到不战而屈人之兵。

当然，当前的信息加密方法已经非常成熟，安全性已经可以达到我们所要求的任意强度，但始终有一柄达摩克利斯之剑悬在我们头上，那就是安全依靠的是计算的复杂性，永远不能排除被破解的可能，这就是当代的“密码危机”。我们不妨来看一个例子，领略一下“密码危机”是怎么回事。

目前世界上最常用的密码系统叫RSA。此密码系统基于这样一个巧妙思想：有些事正向操作很容易，逆向操作却非常难。例如13×17=221，这很容易吧，但把221分解成两个质因数的乘积13×17，就不那么容易了。合数的因数分解在数学上属于易守难攻的问题。而要破解RSA密码，就相当于对一个给定的合数做因数分解。

如果你数学好，觉得分解221也不难，那不妨试试这个数

267-1=147，573，952，589，676，412，927。这是个18位数。很长时间里，人们以为它是一个质数。直到1903年，人们才发现它是一个合数，等于193，707，721×761，838，257，287。

数学上分解一个数N，最容易想到的算法，是从2开始往上，一个一个地试验能否整除N，一直到N的平方根为止。如果N用二进制表示是个n位数，即N约等于2n，那么尝试的次数大约就是2。位数n出现在指数上，这是非常糟糕的，因为指数式增长是一种极快的增长。比如说，2比n10000增长还快。

当然，你可以寻找效率更高的算法。对于因数分解，“从2开始一个一个试”并不是最聪明的算法，目前最好的算法叫做数域筛选。但即使做了这样的改进，计算量仍然是指数式增长。如果以目前世界上最快的计算机之一——我国“天河二号”的运算速度，分解一个300位的数字需要15万年，分解一个5000位的数字需要50亿年！

按理说， RSA密码系统已非常安全，但人无近忧也要有远虑：现在有实力的国家都在倾全力研究量子计算机，量子计算机的速度不是今日的电脑所能企及的。已经有人提出一种因数分解的量子算法，一旦有了量子计算机，根据这种算法，原先需要50亿年的运算量，2分钟内就能完成。到那时，RSA密码系统就形同虚设了。

有没有一种不可破译的保密方式，能让传送的信息绝对安全可靠？近些年来，量子通信技术的飞跃发展正让梦想成为现实。

永远无法偷窃的密钥

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本单元，是能量的最基本携带者。比如，日常生活中的光，就由大量光量子组成，其他还有电子、介子等基本粒子。“量子化”指其物理量的数值是离散的，而不是连续地任意取值。例如，光子就不存在半个光子、三分之一个、0.18个光子这样的说法（而且，空间和时间也都存在最小的、不可分割的基本单元，因此，空间和时间也都是量子化的）。

量子（加密）通信分为两种：一种是量子密钥分发;另外一种是量子隐形传态。它们的性质是完全不同的：量子密钥分发只是利用量子的不可复制性以及测量的随机性来生成量子密码，给传统的数字通信加密;而量子隐形传态完全不同，它是利用量子纠缠直接传送量子比特。

在现代社会，广泛使用的保障信息安全的手段是现代密码，现代密码技术的理念是，一切秘密包含于密钥之中，密钥就是只有通信双方才知道的秘密钥匙，是指某个用来完成加密、解密、完整性验证等密码学应用的秘密信息。因此，保障密钥的安全是用密码技术保障通信安全的关键。

量子密钥分发可以实现无条件安全的密钥分发，这个无条件安全的意思是指，就算窃听者有全宇宙最强的计算机，哪怕是量子计算机，也不能破解量子密钥分发，窃取密钥。这样，使用量子密钥分发技术可以保证通信加密无法被破译，保证对方身份真实可靠，保证信息无法被篡改。

那么，量子密钥分发是如何生成量子密码来给传统的通信加密的？我们首先从偏振态光子说起。

现阶段的量子通信都用偏振态光子作为信息的载体。偏振是光学上的一个概念，意指光作为横波，一方面往前传播，另一方面在垂直于传播的方向上做振动。

我们可以打个比方。比如，你把一根绳子固定在墙上的钩子上。当绳子绷紧之后，你在另一端上下摆动它时，波动就会沿着绳子传到钩子的那一端。你摆动的方向跟波的传播方向是垂直的。当然，你也可以横向左右摆动，波照样沿着绳子传播，你摆动的方向也还是跟波的传播方向垂直。你还可以以任意角度斜着摆动，你摆动的方向还是跟波的传播方向垂直……每一种摆动方式，对应着绳子的一种偏振状态。

量子通信，顾名思义就是利用量子的特性来传送信息。那么，其中涉及哪些量子特性呢？

1、不确定性原理：根据量子力学，微观世界中的量子可以同时处于各种可能性的状态。这种量子态叫叠加态。而测量会迫使叠加态坍缩，量子选择其中一种可能状态呈现。坍缩意味着原来量子态的破坏，而且是不可逆的。所以当信息以量子为载体时，对量子态的每一次测量，都将改变它原来的状态。

2、量子不可克隆原理：指对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制（克隆）是不可实现的。这条原理实际上是不确定性原理的一个推论。因为要复制，首先就要测量（比如，你要复制一张桌子，得先测量它的长宽高），而测量后你不能保证量子态还保持原样。

利用量子的这两个特性，量子通信也就保证了安全。具体过程是这样的：假设A发给B一个偏振态光子，对于A是已知的，对于B是未知的。C（窃听者）想来看看A发的是什么偏振态，最直接的办法就是先把这个光子截下来测量一下，但这又是行不通的，因为C截取测量了之后，A所发送的偏振态光子，其原始态就变化了，再也无法完美复制还原了。

B收到被窃听的态，用了一个约定的测量方式（测量基）来测量，测完之后会有一个结果，然后再问A发的是什么，A告诉B，B一看，与自己测量的结果不一致，那就是有人窃听了，我们分享的密钥不安全了。于是，A和B终止发送信息，信息安全得到了保证。

在经典的通信中，一个窃听者可以截取本来应该发给B 的信息，然后伪造完全相同的信息再发给B，这样A和B就无法发觉有人在监听。而在量子通信中，粒子的量子状态的不可克隆性，保证了量子通信密码的不可破解性。

当然，这种密钥分发方式存在一个问题，那就是只能发现窃听者，不能保证通信的稳定性。A和B虽然可以随时察觉被窃听，但是他们所能做的，也只能就是停止通信。如果窃听者不停地窃听，通信就被无限期搁置了。所以，业内对量子通信的争议，很大一部分就在于此：“如果通信消失了，那么任何密码技术都是多余的。”

但是，对于非常重要的绝密信息来说，通信的保密性要大于消息的稳定性。而且，在量子通信里，根据计算很容易找到窃听点，然后派人去抓出窃听者。通信密钥分发的方式就是拥有随时发现窃听者的能力，给窃听者以震慑，以此保卫自己的通信安全。

幽灵般的超距作用

现在，我们来说说量子通信的另外一种方式——“量子隐形传态”。

如果说，量子密钥分发只是量子力学应用于经典通信的一个小应用（加了把量子锁），那量子隐形传态就是“真正”的量子通信了。

解释量子隐形传态之前，我们必须先解释两个重要概念——“量子比特”和“量子纠缠”。

我们目前进行信息存储和通信，使用的是经典比特。一个经典比特在特定时刻只有特定的状态，要么0，要么1，所有的计算都按照经典的物理学规律进行。但量子比特和经典比特不同，量子信息扎根于量子物理学，一个量子比特就是0和1的叠加态。我们可以做一个比喻：经典比特是“开关”，只有开和关两个状态（0和1），而量子比特是“旋钮”，就像收音机上调频的旋钮那样，有无穷多个状态。

量子纠缠也是量子叠加态的一种表现，是指两个处在纠缠态的量子一旦分开，不论分开多远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。这两个纠缠在一起的量子就好比是一对有心电感应的双胞胎，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。

理解了量子纠缠，我们就可以理解“量子隐形传态”了（量子纠缠和量子隐形传态的分析详见下文）。

量子隐形传态是在什么时候实现的？答案是1997年，当时潘建伟在奥地利因斯布鲁克大学的塞林格教授组里读博士，他们首次实现了单光子自旋态的传输，并基于这个实验在《自然》上发表了论文《实验量子隐形传态》，潘建伟是第二作者。這篇文章后来入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”，跟它并列的包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等。当然，量子隐形传态的重要性不如那些神级成果，不过也已经相当了不起了。

潘建伟回到中国后，将量子通信的水平不断提高，此后中国的量子通信的研究一直领先于世界。

潘建伟的研究能不能得诺贝尔奖？潘建伟主要搞的是技术，而诺贝尔奖更偏爱的是理论或实验上的重大进展。互联网的发明非常伟大，也很大的改变了我们的世界，也没有获得诺贝尔奖。不过，依靠纯技术方面的应用获得诺贝尔奖的先例也是有的，比如马可尼就是依靠无线电报获得了诺贝尔物理学奖，这样的情况相对比较少。因此，如果量子通信有了更加广泛的应用，潘建伟有很大可能获得诺贝尔奖，我们对此充满期待。