“量子"的概念
那么什么是“量子"？它和“原子"、“電子"、“中子"這些客觀存在的粒子一樣也是一種物質(zhì)實體嗎？答案是否定的。“量子"不是一種粒子，而是一種觀念或一種概念?！傲孔?一詞來自拉丁語quantum，意為“多少"，代表“相當(dāng)數(shù)量的某事"。在物理學(xué)中提到“量子"時，我們實際上指的是微觀世界的一種傾向：物質(zhì)或者說粒子的能量和其他一些性質(zhì)都傾向于不連續(xù)地變化。例如，我們說一個“光量子"，是因為一個光量子的能量是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一份一份地變化的。其他的粒子情況也是類似的，例如，在沒有被電離的原子中，繞核運動的電子的能量是“量子化"的，也就是說電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣,原子才能穩(wěn)定存在，我們才能解釋原子輻射的光譜。不僅能量，對于原子中的電子，角動量也不再是連續(xù)變化的。量子物理學(xué)告訴我們，電子繞原子核運動時也只能處在一些特定的運動模式上，在這些模式上，電子的角動量分別具有特定的數(shù)值，介于這些模式之間的運動方式是極不穩(wěn)定的。即使電子暫時以其他的方式繞核運動，很快就必須回到特定運動模式上來。實際上在量子物理中，所有的物理量的值，都可能必須不連續(xù)地、離散地變化。這樣的觀點和經(jīng)典物理學(xué)的觀點是截然不同的，在經(jīng)典物理學(xué)里所有的物理量都是連續(xù)變化的。
上世紀(jì)初，物理學(xué)家普朗克猜測到微觀粒子的能量可能是不連續(xù)的。但要堅持這個觀點，就意味著背叛經(jīng)典物理學(xué)。保守的普朗克最終放棄了這個觀點，對于他個人這是一件極為遺憾的事。然而，大量的實驗事實迫使物理學(xué)界迅速地接受這樣的觀點，將其發(fā)展起來，并結(jié)合其他一些公設(shè)如“量子態(tài)疊加原理"、“概率性測量原理"等，建立了如今的量子物理科學(xué)。
經(jīng)典通信和量子通信
“安全"的通信是千百年來人類的夢想之一，而在今日這個信息技術(shù)飛速進步的時代，“安全"的通信卻幾乎是海市蜃樓。由于經(jīng)典信息容易被復(fù)制，因此在通信,也就是說在傳遞信息的過程中無法保證信息不被復(fù)制竊取。這樣，保障經(jīng)典通信安全的方法就是對信息加密，通過加密使竊取者即使復(fù)制了加密后的密文也無法讀取原文。人們已經(jīng)創(chuàng)造出了各種各樣的經(jīng)典密碼加密算法。它們利用計算的復(fù)雜性使者在有限的時間內(nèi)無法完成破譯所需的大量計算（者沒有解密密鑰）,從而保證通信安全。但是，這種安全性在理論上缺乏證明，因此，經(jīng)典密碼加密算法不屬于“安全"的通信系統(tǒng)。實際應(yīng)用中，它又存在著加密和解密效率低下等諸多問題。隨著計算科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，人類所擁有的計算能力的提升速度和潛力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人們最初的想象，經(jīng)典密碼加密技術(shù)對于通信安全的保障能力也不像人們預(yù)先估計的那么可靠了。尤其是上世紀(jì)70年代以來，量子計算概念的提出和它的初步實驗演示，更如同經(jīng)典密碼安全性上方高懸的“達摩克利斯之劍"，隨時威脅著經(jīng)典通信系統(tǒng)的安全。
量子通信系統(tǒng)的問世，重新點燃了建造“安全"通信系統(tǒng)的希望。根據(jù)量子物理的基本原則——“測不準(zhǔn)原理"，未知“量子態(tài)"不能被精確地復(fù)制，任何探測它的企圖都會改變它的狀態(tài)。那么，被某人擁有的“量子態(tài)"，就不能被任何其他人，因為可以通過檢測“量子態(tài)"是否改變，從而知道是否有人窺測過這個“量子態(tài)"。當(dāng)我們利用“量子態(tài)"來記載我們的經(jīng)典信息時，這種奇妙的性質(zhì)就可以保證無人再能窺探那些“不能說的秘密"。通向“安全通信"這個千百年來人類夢想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新進入公眾的視野之中。
什么是量子通信
廣義地說，量子通信是指把量子態(tài)從一個地方傳送到另一個地方，它的內(nèi)容包含量子隱形傳態(tài)，量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義地說，我們談到量子通信時，實際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的安全保密通信。
通俗地說，量子密鑰分配是利用“脆弱"的量子態(tài)荷載信息，從而保護秘密信息不被。由此可見一斑，量子通信其實是一種非常精巧的通信“藝術(shù)"；它工作在單光子的能量水平上，需要分辨光子多種自由度的狀態(tài)，還需要盡力抵御環(huán)境帶來的損耗和干擾；而經(jīng)典光通信則基本上只需要分辨由許許多多光子組成的光信號的能量大小，并且適當(dāng)?shù)靥岣咝盘柲芰繉弓h(huán)境噪聲就可以了。像量子通信這樣纖巧的藝術(shù)，當(dāng)然不止可以提高通信安全性。現(xiàn)在人們已認(rèn)識到，量子通信（不僅僅指量子密鑰分配）還可以降低通信的能量損耗，提高信道傳輸容量，擴充網(wǎng)絡(luò)的地址資源。這些優(yōu)點每一項對于未來的通信都是十分重要的，因此歐洲和日本都已將量子通信納入新一代通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)進程之中。
量子態(tài)隱形傳輸一直是學(xué)術(shù)界和公眾的關(guān)注焦點。其基本思想是：將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測量中未提取的其余信息；而量子通道是指可以保持量子態(tài)的量子特性的傳輸通道。（比如說，保偏光纖對于光子的量子偏振態(tài)就是一種量子通道。但在隱形傳態(tài)中，量子通道的角色是由雙方共享的量子糾纏態(tài)擔(dān)任的。）接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態(tài)的*復(fù)制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對這個量子態(tài)一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態(tài)上。
當(dāng)隱形傳輸?shù)牧孔討B(tài)是一個糾纏態(tài)時，隱形傳輸就變成了量子糾纏交換。利用糾纏交換，可以將兩個原本毫無聯(lián)系的粒子糾纏起來，在它們之間建立量子關(guān)聯(lián)。關(guān)于糾纏和量子關(guān)聯(lián)這些概念，我們將在后面介紹。
隱形傳態(tài)和糾纏交換可以把物體的量子信息在瞬間精確無誤地傳送到遙遠(yuǎn)的地方，這看起來很像科幻電影中的瞬時傳送，或者電子游戲中的傳送門之類的神奇功能。當(dāng)然，在我們能夠把生命*分解成量子信息和經(jīng)典信息，并建立足夠多的糾纏資源之前，傳送門還只是個美好的幻想。不過，隱形傳態(tài)和糾纏交換并不僅僅是一個用來憧憬美好幻想的奇妙現(xiàn)象，利用它們可以實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子密鑰分配，為范圍的通信加上一把安全的“量子鎖"。
現(xiàn)在，實用的量子通信技術(shù)都基于量子密鑰分配（Quantum Key Distribution），也就是說僅使用量子態(tài)產(chǎn)生經(jīng)典密鑰，需要傳遞的經(jīng)典信息則根據(jù)這個密鑰由經(jīng)典的私鑰加密系統(tǒng)加密。量子通信的安全性保障了密鑰的安全性，從而保證加密后的信息是安全的。不用量子通信的方式傳遞全部經(jīng)典信息的原因是：在目前和可以預(yù)見的未來，這樣做的成本都太昂貴，并且可能反而效率低下、不夠安全。因此，人們決定只利用量子通信來產(chǎn)生密鑰，以便提高效率。量子密鑰分配還有一個好處——不需要大面積地改造現(xiàn)有的通信設(shè)備和線路。
量子密鑰分配突破了傳統(tǒng)加密方法的束縛，以量子狀態(tài)作為密鑰具有性，具有理論上的“無條件安全性"。任何截獲或測試量子密鑰的操作，都會改變量子狀態(tài)。這樣，截獲者得到的只是無意義的信息，而信息的合法接收者也可以從量子態(tài)的改變，知道密鑰曾被截取過。最重要的是，與經(jīng)典的公鑰密碼體系不同，即使實用的量子計算機出現(xiàn)甚至得到普及，量子密鑰分配仍是安全的。
無論你理解還是不理解量子通信的原理和技術(shù)，不遠(yuǎn)的未來里，在你尚未意識到時，你和他人的交互可能早已依賴于量子通信技術(shù)的支持；正如在今天，普通用戶也*不曾并且不需了解web網(wǎng)頁、系統(tǒng)終端等各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)它們直觀簡單界面之后隱藏的萬維互聯(lián)網(wǎng)——那個已成長得如此巨大、復(fù)雜而不可思議的光與電的混沌。
