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量子通信是如何做到“絕對安全”的？ 另一條路是“自下而上”的，就是認識身邊的各種物質背后的量子力學規(guī)律，并在此基礎上發(fā)展各種高新技術來改變世界。我們經常聽到的“凝聚態(tài)物理”、“半導體”、“激光”、“超導體”、“納米材料”等等就來自這個方向。 這條“自下而上”的路曾經通過半導體技術和激光技術催生了第一次信息革命，使我們今天能便捷地使用各種計算機，智能手機，光纖通訊和整個互聯(lián)網(wǎng)。 不過，盡管我們必須用量子力學才能理解半導體和激光的本質與工作原理，但這次信息革命仍然是屬于“經典信息”的革命，我們處理的還是經典的二進制信息（即0或1，經典比特），信息傳輸和計算都基于經典物理學。 而隨著量子信息的誕生，這一條路逐漸發(fā)展到了一個全新的階段，正在催生著第二次信息革命，即一次完全屬于量子物理學的量子信息革命。 量子信息包括量子通信和量子計算，即信息傳輸和計算都將直接植根于量子物理學。其中量子通信作為排頭兵，走在了這次信息革命的最前面，成為它的第一個突破點。  量子通信與傳統(tǒng)通信相比，優(yōu)勢明顯（劉琪 制圖） 量子通信按照應用場景和所傳輸?shù)谋忍仡愋涂煞譃椤傲孔用荑�分配”和“量子態(tài)傳輸”兩個方向。 量子比特： 傳統(tǒng)的信息技術扎根于經典物理學，一個比特在特定時刻只有特定的狀態(tài)，要么0，要么1，所有的計算都按照經典的物理學規(guī)律進行。 量子信息扎根于量子物理學，一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態(tài)。相比于一個經典比特只有0和1兩個值，一個量子比特的值有無限個。直觀來看就是把0和1當成兩個向量，一個量子比特可以是0和1這兩個向量的所有可能的組合。  圖1. 表示量子比特的Bloch球，球面代表了一個量子比特所有可能的取值。來源Wikipedia 但是需要指出的是，一個量子比特只含有零個經典比特的信息。因為一個經典比特是0或1，即兩個向量。而一個量子比特只是一個向量（0和1的向量合成），就好比一個經典比特只能取0，或者只能取1，信息量是零個比特。 其中，“量子密鑰”使用量子態(tài)不可克隆的特性來產生二進制密碼，為經典比特建立牢不可破的量子保密通信。 量子不可克隆定理： 復制（即克�。┤魏我粋�粒子的狀態(tài)前，首先都要測量這個狀態(tài)。但是量子態(tài)不同于經典狀態(tài)，它非常脆弱，任何測量都會改變量子態(tài)本身（即令量子態(tài)坍縮），因此量子態(tài)無法被任意克隆。這就是量子不可克隆定理，已經經過了數(shù)學上嚴格的證明。 竊聽者在竊聽經典信息的時候，等于復制了這份經典信息，使信息的原本接收者和竊聽者各獲得一份。但是在量子態(tài)傳輸時，因為無法克隆任意量子態(tài)，于是在竊聽者竊聽攔截量子通訊的時候，就會銷毀他所截獲到的這個量子態(tài)。 在量子密碼里（如BB84協(xié)議），正是由于量子不可克隆定理，光子被截獲時經過了測量，偏振狀態(tài)就發(fā)生了改變。接收方就會察覺密碼的錯誤，停止密碼通信。這也就確保了通信時量子密碼的安全性，從而也就保證了加密信息的安全性。 在傳輸量子比特時，由于量子不可克隆定理，銷毀量子態(tài)就是銷毀了它所攜帶的量子比特，于是無論是接收者還是竊聽者都無法再獲得這個信息。通訊雙方會輕易察覺信息的丟失，因此量子比特本身具有絕對的保密性。量子不可克隆定理使得我們直接傳輸量子比特的時候，不用再建立量子密碼，而是直接依靠量子比特本身的安全性就可以做到信息不被竊取。 目前量子保密通信已經步入產業(yè)化階段，開始保護我們的信息安全；“量子隱形傳態(tài)”是利用量子糾纏來直接傳輸量子比特，它還處于基礎研究階段，未來將應用于量子計算機之間的直接通信。  量子密鑰 目前實用化的量子密鑰分配是由查理斯.本內特（Charles Bennett）和吉勒.布拉薩（Gilles Brassard）在1984年提出的BB84協(xié)議。 該協(xié)議把密碼以密鑰的形式分配給信息的收發(fā)雙方，因此也稱作“量子密碼”。該協(xié)議利用光子的偏振態(tài)來傳輸信息。因為光子有兩個偏振方向，而且相互垂直，所以信息的發(fā)送者和接收者都可以簡單地選取90度的測量方式，即“+”；或45度的測量方式，即“×”，來測量光子。在90度的測量方式中，偏振方向“↑”代表0，偏振方向“→”代表1；在45度的測量方式中，偏振方向“↗”代表0，偏振方向“↘”代表1。 |
