什么是量子通信?量子通信為什么非常安全?

　　我們中的很多人將自己的生活上傳到互聯網上。銀行業務、工作郵件、社交媒體、約會資料、醫療記錄——所有這些都是敏感信息。可是量子技術在飛速發展，今天保護我們上網的加密算法不久可能被量子計算機瞬間破解。這樣的前景不能不讓人恐慌。

　　不過，量子的破壞也可以通過量子來補救。如果建立一種新型的互聯網——量子互聯網，原則上說，我們可以百分之百安全地傳遞密鑰。此外，量子互聯網還會給我們帶來意想不到的用途。

　　當然，構建量子互聯網是一項巨大的挑戰，但基礎已經奠定，我們遲早都會加入量子信息高速公路。現在，我們正處在一個新的信息時代的門檻上。

　　量子計算機威脅到互聯網的安全

　　傳統的計算機以二進制的0或1為信息單位。1個0或1稱作1比特;2個0或1的組合，例如00、01、10、11，稱作2比特，如此等等。你的每封電子郵件、每張照片都是以比特的形式傳輸和存儲的。

　　如果從量子的角度看，這就相當有限了。我們知道，微觀粒子有一種詭異的量子特性，即可以處于一種屬性不確定的狀態，比如同時處于兩個不同的地方或者不同的能量。這些量子態極其微妙，但學會操縱它們，你就能存儲以量子比特為單位的量子信息。1量子比特不僅能編碼0或1，還能編碼0和1按任意比例的混合;2量子比特不僅能編碼00、01、10、11，還能編碼四者按任意比例的混合;如此等等。

　　物理學家目前已經制造出能操縱幾十個量子比特的量子計算機原型。當它們發展到足夠強大時，有望超越任何傳統的計算機，屆時將在設計新藥和先進材料，解決工程和物流方面大顯身手。

　　但也正是量子計算機威脅著傳統互聯網的安全。今天許多保證互聯網安全的加密算法都基于傳統計算機無法快速解決的數學問題，比如對一個非常大的數做質數分解，通常是非常困難的，以現有的最快速度計算，有時也要花數百年時間。但是，一臺足夠強大的量子計算機可以瞬間完成這項工作。這將破壞互聯網通信的安全。雖然要研制出這種量子計算機估計至少還要10年時間，但問題已經迫在眉睫。

　　什么是量子通信?

　　要對抗量子計算機的威脅，最好的辦法是實施量子通信。所謂的量子通信，就是利用量子的特性傳遞經典比特(而非量子比特，因為信息只有以經典比特的形式才能被我們解讀)的信息。量子通信借助了微觀粒子的另一種詭異的量子特性——量子糾纏。

　　什么是量子糾纏?簡單來說，就是兩個或多個微觀粒子之間存在一種非常緊密的聯系，使得它們的狀態無法獨立描述，而只能作為一個整體來描述。比如，如果A和B兩個電子發生量子糾纏，總自旋為零，那么此后，我們就只能把它們當做總自旋為零的一個整體來描述。這會給我們帶來一個意想不到的好處：譬如，現在遠遠地將它們分開。分開后，我們只知道它們總自旋為零，而不知道它們各自的確切狀態。換句話說，A、B電子各自處于自旋朝上或自旋朝下的不確定狀態。現在，你要是對A電子操作，譬如測量到它處于“自旋朝上”的狀態，那么為了保持總自旋為零這個糾纏條件，B電子瞬間就自動選擇“自旋朝下”的確定狀態了(本來B電子處于不確定狀態，按理，既然沒有對它直接操作，它應該始終處于不確定狀態)。換句話說，你對A電子的操作會瞬間影響到B電子，這種影響的傳播是不需要時間的。

　　量子通信為什么非常安全?

　　那么，量子通信是如何實現的呢?它為什么能非常安全地傳遞密鑰呢?下面我們通過一個簡單的例子來做說明。

　　假設愛麗絲要向遠方的鮑勃傳送一條二進制編碼為“01”的2比特信息。現在，愛麗絲生成了一對量子糾纏的電子A和B，她把B電子發送給鮑勃，自己手中留下A電子。我們不妨事先約定，電子自旋朝上的狀態代表“1”，自旋朝下的狀態代表“0”。

　　鮑勃收到B電子后，就對其進行測量。比如，他測得的結果是自旋朝下，也就是“0”。他的測量瞬間就影響到了愛麗絲手頭的電子A，使其自旋朝上，也就是“1”。愛麗絲通過觀察電子A的狀態，就可以判斷，鮑勃接收到的信息是“0”。但這不符合她的要求(因為她要發送的是信息是“1”)。于是，她就或者通過打電話，或者通過微信，告訴鮑勃，這次通信作廢，重新再來。

　　然后，愛麗絲重新生成一對量子糾纏電子C和D，把D發送給鮑勃，C留在自己手上。重復上述過程，直到愛麗絲知道鮑勃收到的信息是“1”為止。接下去，如法炮制，傳遞第二比特的信息“0”。

　　那么，假如愛麗絲發送給鮑勃的B電子被竊聽者半途攔截了，會發生什么事情呢?

　　竊聽者要想獲得信息，也必須對B電子進行測量。但麻煩的是，他只要一對B電子測量，他的操作瞬間就能影響到愛麗絲手頭的A電子。愛麗絲觀察到A電子發生了變化，就打電話給鮑勃：“喂，鮑勃!剛才對電子測量的是你嗎?”而鮑勃則回答“沒有啊，我沒收到你的電子。”(竊聽者對B電子進行測量后，原則上當然可以繼續讓其傳遞到鮑勃那里，讓鮑勃完全不知情，但問題是，他一測量，就會引起愛麗絲的注意，然后愛麗絲就會向鮑勃詢問。)愛麗絲一下子就明白了，B電子一定是被竊聽者攔截了。于是，她就對鮑勃說：“看來有人竊聽，剛才這次通信作廢，重新來過。”(注意，這些對話不需要保密，哪怕被竊聽去也無所謂。)這樣一來，竊聽者之前的努力就全白費了。換句話說，在量子通信中，竊聽者要想竊聽而又不泄露自己的存在，那是不可能的;而一旦泄露，他的努力就前功盡棄。

　　從上面的例子中我們已經看到，量子互聯網并不是要完全取代傳統互聯網，相反，通信雙方一系列的對話，還是要借助傳統互聯網;量子互聯網只是要在傳統互聯網的基礎上加建一層量子通信線路，用于傳遞量子糾纏的粒子，這樣用戶就可以共享一個密鑰。

　　未來，量子互聯網建成之后，我們還可以把分布于世界各地的量子計算機連接起來，形成一臺量子超級計算機，完成更加復雜的計算。用戶還可以在量子計算機上遠程運行程序，甚至連量子計算機的所有者都無法窺探到運行結果。這就是所謂的“盲量子計算”，即用戶在數據始終保持加密的狀態進行計算。盲量子計算可以讓任何人使用量子計算機，而不會有敏感數據被竊取的風險。