真相？謊言？告訴你一個真實的量子通信

終於到了「量子通信」的最後一篇。。。

量子理論實在太燒腦了。。。研究得越深入，越對普朗克、薛定諤、愛因斯坦等這些物理學家欽佩得五體投地。。。

近神的男人。。。

不過，量子理論確實是一般人難以理解的。。。

截至目前，關於量子通信的兩篇文章的閱讀量：

按照這個趨勢，今天這篇估計閱讀數不會超過50。。。

不管怎麼說，自己挖的坑，含著淚也要自己填。。。

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昨天，我們解釋了什麼是「量子密鑰分發」。。。

今天，我們來說說量子通信的另外一種方式——「量子隱形傳態」

如果說，量子密鑰分發只是量子力學應用於經典通信的一個小應用（加了把量子鎖），那量子隱形傳態就是「真正」的量子通信了。。。

解釋量子隱形傳態之前，我們必須先解釋兩個重要概念——「量子比特」和「量子糾纏」

量子比特

我們目前進行信息存儲和通信，使用的是經典比特。

一個經典比特在特定時刻只有特定的狀態，要麼0，要麼1，所有的計算都按照經典的物理學規律進行。

但量子比特和經典比特不同。

量子信息紮根於量子物理學，一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態。

相比於一個經典比特只有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。

表示量子比特的Bloch球

Bloch球的球面代表了一個量子比特所有可能的取值。

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，它的信息量是零個經典比特。

量子糾纏

量子力學中最神秘的就是疊加態，而「量子糾纏」正是多粒子的一種疊加態。

一對具有量子糾纏態的粒子，即使相隔極遠，當其中一個狀態改變時，另一個狀態也會即刻發生相應改變。

例如，糾纏態中有一種，無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處於0態時，B粒子一定處於1態；反之，當A粒子處於1態時，B粒子一定處於0態。

是不是想到了蟲洞？

這種跨越空間的、瞬間影響雙方的「量子糾纏」，曾經被愛因斯坦稱為「鬼魅的超距作用」(spooky action at a distance)。愛因斯坦以此來質疑量子力學的完備性，因為這個超距作用違反了他提出的「定域性」原理，即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速。這就是著名的「EPR佯謬」。

後來，物理學家玻姆在愛因斯坦的「定域性」原理基礎上，提出了「隱變數理論」來解釋這種超距相互作用。

不久物理學家貝爾提出了一個不等式，可以來判定量子力學和隱變數理論誰正確。如果實驗結果符合貝爾不等式，則隱變數理論勝出。如果實驗結果違反了貝爾不等式，則量子力學勝出。

但是後來一次次實驗結果都違反了貝爾不等式，即都證實了量子力學是對的，而隱變數理論是錯的。。。

2015年，荷蘭物理學家做的最新的無漏洞貝爾不等式測量實驗，基本宣告了愛因斯坦定域性原理的死刑。

量子隱形傳態

理解了量子糾纏，我們就可以理解「量子隱形傳態」了。

由於量子糾纏是非局域的，即兩個糾纏的粒子無論相距多遠，測量其中一個的狀態必然能同時獲得另一個粒子的狀態，這個「信息」的獲取是不受光速限制的。於是，物理學家自然想到了是否能把這種跨越空間的糾纏態用來進行信息傳輸。

因此，基於量子糾纏態的量子通訊便應運而生，這種利用量子糾纏態的量子通訊就是「量子隱形傳態」（quantum teleportation）。

量子隱形傳態的過程（即傳輸協議）一般分如下幾步：

（1）製備一個糾纏粒子對。將粒子1發射到A點，粒子2發送至B點。

（2）在A點，另一個粒子3攜帶一個想要傳輸的量子比特Q。於是A點的粒子1和B點的粒子2對於粒子3一起會形成一個總的態。在A點同時測量粒子1和粒子3，得到一個測量結果。這個測量會使粒子1和粒子2的糾纏態坍縮掉，但同時粒子1和和粒子3卻糾纏到了一起。

（3）A點的一方利用經典信道（就是經典通訊方式，如電話或簡訊等）把自己的測量結果告訴B點一方。

（4）B點的一方收到A點的測量結果後，就知道了B點的粒子2處於哪個態。只要對粒子2稍做一個簡單的操作，它就會變成粒子3在測量前的狀態。也就是粒子3攜帶的量子比特無損地從A點傳輸到了B點，而粒子3本身只留在A點，並沒有到B點。

以上就是通過量子糾纏實現量子隱形傳態的方法，即通過量子糾纏把一個量子比特無損地從一個地點傳到另一個地點，這也是量子通訊目前最主要的方式。

需要注意的是，由於步驟3是經典信息傳輸而且不可忽略，因此它限制了整個量子隱形傳態的速度，使得量子隱形傳態的信息傳輸速度無法超過光速。

因為量子計算需要直接處理量子比特，於是「量子隱形傳態」這種直接傳的量子比特傳輸將成為未來量子計算之間的量子通信方式，未來量子隱形傳態和量子計算機終端可以構成純粹的量子信息傳輸和處理系統，即量子互聯網。

這也將是未來量子信息時代最顯著的標誌。

註：上述過程描述文字直接引用了互聯網文章《獨家揭秘：量子通信如何做到「絕對安全」？》

張文卓 中國科學院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心、中國科學技術大學上海研究院

量子通信的發展

好了，終於把量子通信的技術原理給說完了。。。

近年來，量子通信技術取得了長足的進展，也引發了巨大的爭議。

先看看發展：

1993年，首次提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。

1997年，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。

2012年，首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。

2016年8月16日，世界第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」成功發射。

2017年7月13日，世界首個大型商用量子通信專網在濟南測試成功。

2017年，全球首條量子通信「京滬幹線」今年將建成。

尤其這兩年，量子通信發展非常快。

從城域到城際，從陸地到衛星

提到量子通信，肯定不可避免會提到這個人：

潘建偉 中國科學院院士

潘建偉長期從事量子光學、量子信息和量子力學基礎問題檢驗等方面的研究，對量子通信等研究有創新性貢獻，是該領域的國際著名學者，

1992年畢業於中國科學技術大學近代物理系，1995年獲該校理論物理碩士學位，1999年獲得奧地利維也納大學博士學位，2005年加入九三學社，2008年入選中組部首批「千人計劃」，2011年當選為中國科學院院士，2017年2月8日，獲「感動中國2016年度人物」。

他有關實現量子隱形傳態的研究成果入選美國《科學》雜誌「年度十大科技進展」，並同倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論等影響世界的重大研究成果一起被《自然》雜誌選為「百年物理學21篇經典論文」。

正因為他，中國量子通信研究處於世界領先的地位。他也獲得了大量的榮譽，算得上是名利雙收。

但是，正是因為量子理論充滿了爭議，量子通信一直處於科學界爭議的中心。量子通信產業過度追捧，資金大量湧入，相關企業市值暴漲，市場表現得空前浮躁。潘建偉本人也一直備受爭議。有人說他是騙子，騙取研究經費，有人說他沽名釣譽，爭名奪利。。。

其實，小棗君覺得，這個世界真的能懂這個技術的人本身就不多。正因為不懂，所以人們要麼盲目相信、押寶，要麼質疑、謾罵。有些人只是眼紅或嫉妒，不懂裝懂，大潑髒水。大部分人其實就是跟著起鬨。

小棗君也不認為他一定是對的。但是，對或者不對，應該用論文和實驗來證明，而非謾罵和誹謗。即使是牛頓，或者愛因斯坦，也犯過錯。

量子理論如果是錯的，那也許會帶來認知的更大突破。如果是對的，那就意味著計算技術和通信技術的全新革命。不管怎麼樣，都是好事。

讓時間來證明一切吧。

好了，量子通信專題結束，感謝大家的支持！

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