量子通信：偷不走​的密码本

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。