量子通信：永远解不开的密码

科幻电影里常有这样的场景：乘客走进“超时空传送机”，机器开始运转，一眨眼乘客就被传送到数万光年以外的星系。近日，中国科学家在“量子通信”方面的顺利进展——实现了目前世界上最长距离的“量子通信传输”，引起了公众的普遍好奇，这很大程度上是因为一些媒体的报道中，把量子通信的性质理解为上述的“超远距离瞬移”——从地球遁去火星，耗费时间为零。

实际上“量子通信”倒没有这么神奇。这种通信技术的激动人心之处，不在于传播信息的速度，而是它“绝不泄密”的本事。

“科学家所做的，就是寻找合适的方法，让量子通信能够逐渐增加距离，最终投入实用。”在中国科技大学教授，量子信息学家韩正甫看来，中国科学家近年在这一领域的持续进展，让量子通信技术开发的前景越来越光明。

为什么量子通信能不被窃听

先回头说说量子理论，20世纪初的实验发现，能量或物质细小到一定限度，就无法被准确测量了（测不准原理）。因为测量意味着干涉，当被测量物微小到了极限，就不可能不被测量完全改变。理论上完美到极致的显微镜，对于一个量子级别的粒子也束手无策，因为一“碰”就毁坏了粒子的待测状态。

量子理论作为现代物理学的核心理论，百年来被无数次证明和应用，也被每一个物理学家熟知。而利用量子效应来保护通信密码的创意，是上世纪80年代美国人提出的。

这个想法的实质在于：假如让量子态的粒子携带密码信息，就不会被半路监测和盗取了。换句话说：如果信息仅“附着”在一个光子或电子上，当间谍“偷听”时，信息就被偷听动作改变了。靠着极端“脆弱”，这条信息通道可以保证内容的绝密。

科学家如何利用量子来传输信息呢？这就要用到“量子纠缠”的物理特性。

量子纠缠：永远同步的双胞胎

《格林童话》里提到：一对双胞胎兄弟心灵相通，即便是分道扬镳天各一方，弟弟遇难，哥哥即刻得知。

在微观世界里，也有“心灵感应”的可能。这就是曾被爱因斯坦称作“幽灵般的超距离作用”的“量子纠缠”。根据量子力学，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”对方的状态。

量子纠缠现象，使得光子、电子甚至是原子之间能相互影响，相互制约，从而传递信息。理论上讲，这种纠缠可以使两点之间，不论距离的即时通信顺利完成。这种“超距离通信”不仅让人们感到新奇，而且给了科学家利用它来传递密钥的机会。

随机状态：偷不走的密码本

以往无论是二战时德军、日军的电报密码本，还是防盗版用的软件加密算法，总有被人偷走或破译的危险。然而，靠着量子纠缠的特性，科学家就可以给出一个无法窃取、也无从破译的密钥——你知我知，天不知地不知。

只要制造一对纠缠的粒子A和B，分别给信息的传送人和接收人，这对粒子就好像古代战争用的虎符一样，总是严格吻合的。

A粒子的状态，在传送人的测量下，表现为一系列随机值；由于A和B纠缠互感，所以十万八千里外的B粒子，也表现出了一系列的对应值。也就是说，发信人和收信人掌握了同一套随机数列——这就是密钥。

密钥的载体是量子态的粒子，所以不能被半路侦测（测不准原理）。有了绝对安全的密钥，传送人可以放心大胆地把信息加密后传出去了。偷窥者会对这些加密信息束手无策。

把密钥扔远，再扔远

量子密钥的创意无懈可击，但目前还不能投入大规模应用，原因是很难让一对纠缠粒子在长距离上保持稳定。在几米内有效的密钥，在几公里外就失真，然后消逝在虚空中了。因此超长距离的量子通信，似乎还停留在理论阶段。但在韩教授看来，这并不意味着研究人员的进展缓慢。事实上，近年来，中国科学家一直在刷新量子传输的距离纪录。

根据上个月的最新消息，中科大的研究团队，已经让纠缠态的高能光子对穿过10英里长的自由空间通道。这一距离是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞的量子密钥分发的最大距离。

研究人员发现，在这个距离上接收端的光子，仍能响应留在后方的光子状态变化。远距传输的平均保真度为89%。这项突破意味着量子通信应用扩大到全球规模，也许不久就会到来。

同时，中科大的研究团队还首次证明了：纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，其纠缠的特性仍然能够保持，并可应用于高效、安全的量子通信。科学家们正在计划开展更远距离的量子通信实验，下一步的目标是通过自由空间实现几百公里的量子通信，超越光纤传输的极限。

可以想象，未来应用了量子通信的战场和商界，许多间谍工具和知识将逐渐消亡。

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被媒体误读的“量子通信”

一些媒体解读“量子通信”时，常常转载使用了“超时空传送”这个容易引起误解的词。的确，不论多远都能“互感”的量子纠缠，很容易让人疑问：这是不是意味着，信息速度上限为光速这个原理失效了呢？

事实上，纠缠的两个粒子尽管可以在很远的距离上一个影响另一个，但它们无法传递任何信息。以密钥为例，当双方共享同一套密钥时，并没有发生信息的传递——双方无法利用密钥做任何事情，直到加密的文本传来，密钥才有意义——传送加密文本的速度仍然不可能超过光速。相对论没有失效。

量子通信和传统通信的唯一区别在于，量子通信采用了一种新的密钥生成方式，而且密钥不可能被第三方获取。量子通信并不神奇。

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量子密钥：从防伪钞创意到光纤通信

1970年代，哥伦比亚大学一位年轻学者提出了防范伪钞的量子货币的概念。根据他的理论，量子货币无法复制，一旦被复制就会损坏。不久，他把自己的想法写成论文投向一家专业性杂志。杂志编辑认为是天方夜谭，作了退稿处理。

1980年代初，美国密码专家彼尼特和一位加拿大密码学家研究了这位年轻人的设想，发现由此可以建立量子密码，随后BB84量子密钥方案问世。这也就是目前国际上使用最多的一种量子密钥方案。他们的研究结果在实验上得到了证明。

但是，BB84方案在从实验室装置应用到光纤网络的过程中，遇到了一个极大的难题——不稳定。各种因素都可能破坏它的稳定性，使传输码常常变成乱码。

为了解决稳定性，同时保证信息安全，科学家做了大量努力。近年来，中国科技大学郭光灿教授的课题组的新方案，可保证单向光子的稳定性和安全性，并已获得国际专利。课题组使用这一方案，在2005年租用的一条从北京到天津125公里的光纤上试用，结果非常令人满意。