量子通信迄今最通俗易懂的解释在哪里？ 第1页

在这里！

这是我12月份花了一个星期时间研究并撰写出的长文，一直忍着没发，还是有点小私心的。结果还是没忍住:-p 本文包含了很多概念和知识点，可以对你的知识体系进行梳理。

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引子

世界上有两门学问公认比较难：密码学和量子物理。密码学难是因为世界上有人太聪明，难在巧夺天工的构造和叹为观止的分析；密码学的加密解密过程，充满了智慧、想象力和广博的知识面，而破译窃听过程又充满了博弈论精神，所以纳什才疯了嘛，因为他是搞博弈论的。密码学里的斗智斗勇、假想敌是最需要博弈论，最挑战人智商的，结果精神分裂了，呵呵。

而量子物理，难在大自然深奥难测，其微观规律远离人们的直觉，是最难以理解，充满不确定性，最“毁三观”的学科，因为微观粒子所表现出来的某些特性，在宏观世界是无法重现，无法模拟的。无论经典力学，还是相对论去解释微观粒子现象，都无法做到完美，甚至有些是匪夷所思，无法解释的，好像是上帝在扔骰子！

科学家用了近100年时间，仍然无法实现量子力学与广义相对论的统一。但是不代表这门学科进入了死胡同，我们依然可以利用已验证的一些量子物理理论，来推动人类技术进步。

现在我要讲的就是量子通信——是密码学和量子物理的结合的一门应用科学。可想而知，这得有多难。但是我国在这个领域可是走在世界的最前沿，有可能因为这一突破让中国从此真正崛起，就像18世纪的英国，20世纪的美国一样！

——潘建伟是谁？（不关心可以略去这一节）

欧洲物理学会新闻网站“物理世界”公布了2015 年度国际物理学领域的十项重大突破，中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等完成的科研成果“多自由度量子隐形传态”入选并名列榜首。这是中国科学家有一重大的、世界级的研究成果。

潘建伟这个名字，如果你去了解一下量子通信领域，他在这个圈内的知名度，不亚于那些娱乐圈明星，小鲜肉（潘建伟是个70后，在中国可以说是非常年轻有为的科学家了）。

我们看一下，他在这个领域的出镜率哈：（具体可以百度，好搜）

1、1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟和荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。

2、2006年夏,我国中国科学技术大学教授潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学-维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验，由此打开了量子通信走向应用的大门。注：诱骗态，这里解释一下，充分体现人的智慧——大体意思是说，以单个光子去发密钥，理论上是可以，但是实际上很难做到，必须要发一批相同密钥的光子过去，才能保证对方能接收到，但是这样的话，窃听者就可以中途偷走一个，偷梁换柱，又因为通道是有耗损的，所以伪装成耗损，是无法被察觉出来的。因此窃听者就拿到了跟接受方一样的密钥，这意味着不安全!

所以，科学家想到一种办法，通过发一批混有真密钥和假密钥的光子给接收方，接收方可以通过一种方法（具体可以百度，关于井水蒸馏的寓言故事）分离出真密钥光子，而剔除掉所有假的，但对于窃听者来说，他只有偷换足够多的样本量后，才能确定信息真假（概率学），这必然会暴露，从而实现的信道安全。

3、2008年，利用冷原子量子存储技术，在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠，以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果完美实现了远距离量子通信中急需的"量子中继器"，向未来广域量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。2008年底，潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统，在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网，成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一(另一小组为欧洲联合实验团队)。

4、2009年9月，潘建伟的科研团队正是在3节点链状光量子电话网的基础上，建成了世界上首个全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平，标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。

5、中国科学技术大学教授潘建伟、彭承志、陈宇翱等人，与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合团队，于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。实验证明，无论是从地面指向卫星的上行量子隐形传态，还是卫星指向两个地面站的下行双通道量子纠缠分发均可行，为基于卫星的广域量子通信和大尺度量子力学原理检验奠定了技术基础。

6、2012年，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗"量子通讯卫星"奠定技术基础。国际权威学术期刊《自然》杂志8月9日重点介绍了该成果。"在高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上，基本上解决量子通讯卫星的远距离信息传输问题。研究组成员彭承志介绍说，量子通讯卫星核心技术的突破，也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性。

潘建伟有关实现量子隐形传态的研究成果入选《科学》杂志"年度十大科技进展"，并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为"百年物理学21篇经典论文"。

当然国内外其他科学家在这一领域也作出了很多贡献，也是多方协作才取得了这些突破。（创新是网也是树）

这里要插一句，网上也有人在说潘建伟欺世盗名，人品差，爱吹牛，骗经费，说他不配当院士，更不配拿诺贝尔奖（潘在2004年曾表示过想争一争诺贝尔奖）。还说他是二流的物理，一点五流的技术。我不知道这些人是处于什么心态，诺奖是每一个搞物理搞科学的人的梦想，说说又怎么了？说他没什么理论建树，这又怎么了？牛顿都说自己是站在巨人肩膀上取得的成就，哪个科学家不是继承了前人的思想、理论才实现突破的？潘本身应属于实验物理学派，他关注的是应用，这难道不是应该得到褒扬和鼓励的吗？ 哎~

——为什么说量子通信技术这么重要？

密码，我们几乎时时刻刻都在用。解锁啊，登陆啊，转账啊，等等，因为它能保证通信和交易的安全。经典的、传统的公开密钥算法（RSA）,简单来讲就是，我密钥越长，越安全，这个大家都能明白。但是毕竟是有限的密码长度，随着计算机更新迭代，美国人在研发量子计算机（斯诺登说的），这种计算机的运算速度有多快呢？打个比方，对一个500位的阿拉伯数字进行因式分解，目前最先进的计算机，需要几十亿到上百亿年（宇宙的年龄）这么长时间才能完成，而量子计算机可能只需要几分钟。

《模拟游戏》电影里的图灵，就是依靠研制计算机来破解密码，理论上讲，只要有足够先进的计算机，任何有限长度的密码都可以破译。

怎样才能实现无法破解的密码，换句话说，实现通信的绝对安全呢？ 其实，早在1917年就有人提出，只要实现“一次一密”的方式就能够做到这点。也就是说，每次传递信息的长度跟密码本的长度一致，并且密码本只能用一次。这样肯定安全嘛！对当时来说，这只能是个理论，根本不可能实现。但是，通过量子密码学的研究，这是可以实现的。

神秘了 100 年的量子物理，终于派上用场了，走入了人们的视线。

一时间一些“量子通信”的概念股被人们所关注，道理很简单也很深刻。第一，由于量子密码学可以实现无法破解的密码，那么就能保证通信的绝对安全，这对于我国国防建设有着至关重要的意义，这个道理就不用多说啦；第二，在互联网时代，人们最大的需求之一就是，对保护隐私的需求。总是有各种漏洞，各种黑客，让我们缺乏安全感，如果量子通信实现，那么谁拥有这项技术，谁就能立于不败之地！

虽然说的那么好，这玩意真的靠谱吗？很多人怀疑它的真实性，甚至认为这是一个惊天大骗局，大阴谋。

而我认为，这种通信方式真的可以实现了（后面会详细解释），或者说已经实现了——国际上这一领域的专家认可，我当然有理由相信这事是真的嘛！而且在不远的将来（10年左右），这项技术将走向成熟，并实现产业化、普及化，最终人类将迈进“量子互联网时代”。

——什么是量子物理学？

量子物理学是研究微观基本粒子的运动规律和物理特性的科学。公元前五世纪希腊哲学家德谟克利特就认为，万物是由大量的不可分割的微粒构成的。2400多年过去了，而这个观点依然被认为是正确的。量子物理正是继承了这一观点，从粒子角度去研究世界的本质，这符合我们的习惯（这与后来的弦论是不同，弦论是认为世界是由闭合的弦——脑补橡皮筋的画面——构成的，目前只有理论成果，没有试验能验证，因为它的尺度已经大大低于或高于人目前的试验能力，而且非常晦涩难懂）。比如从量子力学角度，微观粒子有质子，电子，夸克，中微子等，从量子场论讲，电磁场的最小单位是光子，强力场的最小单位是胶子，弱力场的最小单位弱规范玻色子，引力最小单位是引力子（目前还没有被发现）。

是正因为世界是由这些微观粒子组成的，所以产生了一派还原主义者，认为只要能全面认识这些粒子，那就能认识世界的本质和全貌，他们认为生命和宇宙奇迹不过是循着物理学定律规定的舞步不停舞动着的微观粒子的反映。

这种观点我是不会接受的，属于机械唯物主义，人的喜怒哀乐，知觉、感受、意识难道也是粒子之间按照一定规律相互作用（比如碰撞）产生的吗？那人跟一块木头有什么区别？这种决定论、必然论，很让人气馁。

包括爱因斯坦的“统一场论”，都带有还原主义的色彩。统一场就是说，麦克维斯把电和磁统一于电磁场，就是说电能转化为磁，磁能转化为电，爱因斯坦的狭义相对论认为时间和空间是统一的，时间可以变为空间，空间可以变为时间。那么宇宙应该存在一个统一的场，实现所有物质能量的相互转化。结果，爱因斯坦苦苦追寻了30年，也没有实现物理学的大一统，以至于他自己都怀疑自己“跑偏了”，后期也没有任何成果。当然，现在的弦论又重新拾起了这一理论，但缺乏靠谱的实验或观测验证（就像霍金的黑洞一样），这里就不谈了。

事实上，的确是还原主义者想多了，当科学家去研究微观粒子的时候，量子物理又走到了另一个极端——发现这些粒子完全处于不确定的状态，根本没有什么规律可言。然而当我们否认还原主义的时候，还没来得及庆祝胜利，量子所表现出来的诡异性，又把我们拖到一个不寒而栗、极度不安的境地！

——鬼魅般的量子效应

比如经常谈到的“爱因斯坦的幽灵”——量子纠缠超距传输，又比如十大经典物理实验之首——电子双缝干涉实验。

爱因斯坦认为，物理学存在定域性，就是说一个物体在这个地方运动，不会干涉到另一个物体在另一个地方运动。而且如果某个物理理论是完备的，那就能预言某种现象的发生。比如，狭义相对论，相对运动的物体时间会变慢，后来的确被验证了（原子钟实验）；广义相对论，引力导致时空扭曲也被验证了；比如，微波背景辐射，预言存在一个高于绝对零度的温度在宇宙中均匀存在，这个也被红移现象验证了；比如，杨振宁，李政道的宇称不守恒，被一个女物理实验学家吴健雄验证了，等等。这两个原则决定了我们可以举一反三，推己及人，说明人可以认识的到一切的规律。

而量子物理学却狠狠的否认了这两个原则（EPR佯谬）。这也导致了爱因斯坦跟波尔成为一辈子的宿敌。

比如，量子纠缠超距作用，是指微观世界中的粒子之间所发生的相互影响没有时间和空间障碍，也就是说两个相互关联的微观粒子无论相隔多远，一个粒子的量子状态改变（如被测量）和另一个是同步发生的。

量子是独立的不可再分的粒子，而量子纠缠现象说明，挨的特别近的两个量子，会产生纠缠，通俗的说一个是正（上旋），另一个必然是负（下旋）。而且一旦建立起这种联系，那么无论它们距离多么远，这种纠缠状态不会改变。

了解量子纠缠有多么怪异，我们可以拿电子的“自旋”作例子。电子的自旋与陀螺不同，其状态总是游移不定的，直到你观测它的那一刻才能决定。用可以理解的话说，当你观测它时，就会发现它不是顺时针转就是逆时针转。假设有两个互相纠缠的电子对，当其中一个顺时针转时，另一个就逆时针转，反之亦然。不过奇怪之处是它们并没有真正连接在一起。对量子理论坚信不疑的波尔和他的同事们相信，量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态，即便它们一个在地球，一个在月球，没有传输线相连，如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转，那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说，如果你对其中一个粒子进行观测，那么你不止是影响了它，你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴，而且这与两个粒子间的距离无关。两个粒子的这种怪异的远距离连接，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。

最近由荷兰代尔夫特科技大学的Ronald Hanson领导的科研团队，终于实现了没有漏洞的实验观测，50年来第一次无懈可击地直接证明了贝尔不等式不成立。（贝尔不等式就是以数学的方式来证明“隐变量”的存在，从而证明爱因斯坦是正确的，但是实验条件非常苛刻，需要制造大量的纠缠量子）

Hanson团队的实验设计十分巧妙。他们在相距1.28千米的两个实验室里，分别用微波去激发处于极低温的钻石里的电子。当电子被激发出来时，它们同时也放出与自身相纠缠的光子。两边的光子通过光纤传送到位于两实验室之间的另一个探测地点，这里精确记录着光子到达的时间。如果两边发射过来的光子同时到达并以特定方式干涉，那么两个光子就会立即将自己所“代表”的电子纠缠起来，实现远程的量子纠缠。这好比远隔10万光年的牛郎和织女各派一个天使在鹊桥相会，如果两个天使同时到达并正确表达了主人的意思，那么牛郎和织女就实现了远程的“约会”。

实验结果：找到了200多对可以远程纠缠的电子——爱因斯坦认为不存在超距现象，而是由某种没有认识到的“隐变量”在起作用——这个实验证明爱因斯坦错了，并不存在隐变量，即使完备的物理描述也无法解释这种现象。

科学就是这样，不断地证伪，不断进步，连霍金也曾经表示，他对黑洞的认识可能也不太对。

再来说说“电子双缝干涉实验”，这个更加难以理解，而且异常恐怖！

最初设计是想证明凡是粒子都具有的波粒二象性，不光是光子。光子就是电磁场中的最小单位，因此电子也具有光子的特性。