我國研發的全球首顆量子衛星上天啦 但什麼是量子通訊呢？

好了，大家應該在今天凌晨都知道我國研發的全球首顆量子衛星「墨子號」順利升空。小編就不多花筆墨來形容此次發射在科學史上的壯舉了。量子通訊是一項長久以來一直被寄予厚望的未來技術，其核心是量子密碼學，基於量子的量子密鑰分發系統擁有嚴格被數學所證明的「無條件安全性」，因此量子通訊擁有極高、不可被破解的信息傳輸安全性。今天小編就來給大家科普一下，何為量子通訊。

量子通訊的可行性——量子疊加態與量子糾纏

想必大家都聽說過量子力學。量子，是指一個不可分割的基本個體，任何有形的性質都可以「量子化」。這個聽起來就比較深奧了，不過大家也都聽說過薛定諤的貓吧，這一思想實驗詮釋了經典的量子疊加態性質，即量子狀態可以是多種量子態的任意一種，具備疊加效應，這應該也是最為大眾所熟知的量子力學知識了。

量子通訊需要使用到量子的糾纏效應。所謂量子糾纏，是指兩個經過耦合的微觀粒子,當一個粒子的狀態發生變化時，另一個也會立即發生相應的變化。這種變化是「瞬時」的，也就是說，量子糾纏的作用速度比光速還快。

正是因為量子的這兩種特性，疊加態與糾纏態，使量子通訊具備了防竊聽的功能。

量子通訊的作用——傳遞密鑰

那麼量子的這種特性如何在量子通訊中得到利用呢？解釋這個問題之前先跟大家講述下傳統加密的原理。大家都知道加密是需要密鑰的，只有輸入正確的密鑰時，才能進行解密。這個密鑰由發送方與接收方共有，一旦泄露或遭到破解，加密便毫無意義。

歷史上有名的密碼破解，最為人熟知的就是艾倫·圖靈破解德國密碼系統，其實就是破解了加密用的密鑰，為二戰勝利做出了貢獻。在二戰後期，日軍的密碼本以及德國的加密機相繼被繳獲，也使軸心國的行動暴露在同盟國的監視之下。於是人們在想，有沒有什麼更安全的加密方式，密鑰既難以泄露，又很難被破解呢。

發現量子力學後，科學家們便看到了一種可能性。眾所周知任何對量子的測量都會改變數子的狀態，而且量子還有不可複製的特性。因此通過上面提到的量子疊加態以及量子糾纏，可以檢測是否有第三者竊聽並試圖測量量子，這不就確保了量子通訊的安全性了嗎。

量子通訊的核心——量子密鑰分發

接下來就是量子通訊的核心部分，量子密鑰分發系統了。它是如何發揮作用的呢？首先你要知道量子密鑰分發系統傳輸的只是密鑰，而不是內容。密鑰的傳輸與分析過程非常複雜，引入了多重隨機性來確保密鑰的不可破解。這裡以研究最廣泛的BB84協議為例，這種方法由查理斯·貝內特與吉勒·布拉薩於1984年首創。

BB84協議使用了光子的偏振態來傳輸消息。首先，發送方隨機生成一串比特，然後再隨機使用光子偏振的兩個直線基「+」與「×」對這些比特做一一映射，比如+與0對應時就生成，×與1對應時就生成。發送方自己制定規則兩兩對應，於是有了四種光子的偏振態，如下表。

制定好光子偏振後，發送方就可以將這些光子通過量子信道發送給接收方，接收方也隨機使用直線基「+」與「×」對這些光子做一一測量。由於是隨機採用，所以接收方使用的直線基與發送方使用的直線基有50%的概率會不同，這裡存在一個隨機性。

而且由於量子力學存在一個性質，非正交的狀態間無法通過測量被徹底分辨，所以接收方測量時一定會產生誤差。如果用「+」去測量或，因為互相正交，所以可以獲得正確的結果。但如果用「×」去測量或，有50%的概率會獲得，50%的概率會獲得，就是因為兩者不互相正交導致結果出現錯誤，這又是一個隨機性。不過量子加密就是要出現錯誤才好，馬上就會講到。

接收方在測量完畢後，需要按照發送方之前制定的映射表，將光子偏振態再還原為比特。因為存在多重隨機性，所以最終獲得的比特串與發送方原先生成的比特串是一定不相同的。看到這裡你也許會發現，如此複雜的機制就是為了產生大量的隨機性，製造結果的不確定性，這就是量子密鑰分發的本質。它不追求準確，而故意引入隨機性。而正因為隨機，所以安全。

在完成上述過程後，發送方與接收方會利用傳統通訊渠道進行一次溝通，雙方對比下各自使用了哪些直線基，然後剔除掉那些使用了不同直線基的結果，最後留下的、共有的比特數據就是密鑰。這一過程不必擔心被竊聽，因為竊聽了也沒什麼用。整個密鑰的生成過程如下：（Alice為發送方，Bob為接收方）

那麼如果有人中途攔截髮送方發送的量子信息該怎麼辦？下面這部分就有點燒腦了，各位看官可能要細細琢磨下。

因為發送方發送的光子，已經是經過耦合的粒子，所以存在量子糾纏態。當接收方去測量光子偏振態時，基於測量就會改變數子狀態以及量子不可複製的定理，發送方手上粒子的量子狀態也會隨之改變。但這並不影響，因為隨後雙方溝通時會消除這一影響。

然而當有第三方試圖去截獲、測量量子信息時，就會引發額外的量子狀態改變。如果第三方使用與發送方相同的直線基，則因為保持正交而不會改變結果。但因為概率問題，第三方使用的直線基一定會與發送方不同，於是就會改變光子的偏振態。那麼接收方收到的量子信息從一開始就是錯誤的，在雙方溝通階段就會發現對不上。因為雙方互相利用對方的直線基測量出來的偏振態會出現極大的差異，明明應該是相同的地方，卻不相同，這時就會意識到存在第三方竊聽，會決定捨棄這一量子信道，再進行一次傳輸。

以上是基於測量的量子密鑰分發系統，還有基於量子糾纏態的方式。比如先讓發送方與接收方各自持有糾纏量子對中的一個，發送方選擇基"+"和"×"來測量，之後告訴接收方他的測量結果。接收方可以通過發送方的結果推斷出自己的光子目前處於什麼狀態，從而達到從發送方處接收到一個量子狀態的效果。

結語

我國這顆量子衛星之所以引發廣泛的關注，正是因為使這種量子密鑰分發與量子糾纏的空域研究成為可能。目前在地面上，已經成功實現驗證了量子密鑰分發與量子糾纏的可能性。而通過發射量子衛星，開啟了人類向太空量子通訊的挑戰，我國正處於這項研究的前沿領域。未來如果能建成覆蓋全球的量子衛星網路，信息傳輸的安全性將大為提升，這是一件讓人感到激動的事。

（墨子號衛星）

PS：之所以取名為「墨子號」，是因為墨子在歷史上利用小孔成像，發現了光沿直線傳播的特性。

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