技术沙龙第三期-量子通信入门

引言

量子通信是什么意思？ 到底有什么厉害之处？

量子计算机又是什么？为什么量子计算机是破解密码的终极武器？

几个月前，因为一次偶然的机会我接触了一本量子力学、量子通信的入门书籍，写得非常通俗易懂、幽默风趣。今天给大家分享的内容就来自这本书啦。

一、光的波粒二象性

说到主题之前，先谈一谈光的波粒二象性。

光是一种波还是一种粒子？一派是以惠更斯、麦克斯韦、赫兹等为代表的波派，一派是以爱因斯坦为代表的”粒子派“ ，两派斗争了非常久。光是一种波，这个非常好理解，因为光的干涉、衍射等现象很常见，大家都容易理解光是一种类似水波、电磁波一样的波。那么，爱因斯坦为啥会认为光是一种“粒子”呢？这得多亏“光电效应”这个实验，让爱因斯坦想到了答案。 （这个推理简单易懂，不展开说明，可以看书或百度）

那么到底哪一派获胜了呢？为了揭开谜团，科学家们做了很多实验（ N个版本的双缝干涉实验） ，想看看光到底是波还是粒子。

实验有N个版本，大家在物理课上学到的版本是最简单的版本，因为光具有波特性，经过2条缝之后，由于波的干涉，在最后的显示板上形成了”斑马线“样的干涉条纹。

科学家们再对实验进行升级，实验中的光变成一个一个光子打出。假设光是一种粒子，那么1个光子只能从一条缝穿过， 这样最终出现的就应该是2条杠，而不是斑马线状的干涉条纹。那么实际结果如何呢？

实验结果是：有时是斑马线，有时候是2道杠。这个结果，和你的“观察姿势”有关。假如你的实验装置能精确获取光子的路径信息，那么最终是2条杠。否则，实验结果就是斑马线。很反直觉对吗？像我们这种从小只学经典物理的普通人（甚至是爱因斯坦大神）觉得很难想象对吗？

所以量子力学的世界里，我们的思维方式就得改一改了。下面先给出波尔（堪称量子力学代言人）总结的量子世界3大基本原则：

• 1）态叠加原理
• 2）测不准原理：叠加态不可能精确测量 （粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。）
• 3）观察者原理（只要光子的路径信息”可以被精确测量“的环境下，它就会自动坍缩，不能同时穿过2条缝了）

讲了这么多还没有讲到量子通信，不过很快就要讲到了！

二、量子纠缠和量子通信

上面主要说的是一个一个的量子，下面要隆重出场的是一对量子（或者叫孪生粒子 ，或者叫纠缠态的一对量子），量子纠缠才是加密通信的终极武器。

这里说的”一对量子“ 是怎么造出来的？ – 可以用粒子对撞机，两束粒子相撞，一个母粒子分裂成两个更小的粒子A和B。A和B动量大小相等，方向相反，A和B的角动量（类似自旋）也得相互抵消。如果说自旋态有上、下的定义区分（想象为顺时针、逆时针）。那么，根据量子理论，在不被观测的情况下，粒子处于多种可能性的叠加态。即：不是向上，也不是向下，而是两者并存！观测之后，两个粒子（A、B）之间才有上下之分，保持阴阳平衡，就算A和B相隔十万八千里，这种纠缠关系也会存在。这个就是量子纠缠。

这一对量子，就好比一对魔法硬币，不管千山万水，只要一枚硬币翻到正面朝上，另一枚一定会瞬间变成反面朝上。（超距作用）

这能为我们干点啥呢？如果把上面的量子A和B放在通信的两端。请看下面的3个步骤：

• 1）量子A （想象成硬币）抛出 反正正反，量子B 收到相反值，很容易就知道A发出的是反正正反—　这个就是对称密钥
• 2. A端的人用微信给B端的人补发一串同长度的纠错码 错对对错 — 这个就是密文
• 3）B端的人得到了有用的信息 正反反正 （可能翻译过来就是：明天偷袭珍珠港）— 这个就是明文

这个过程就是大名鼎鼎的量子通信了。

以前你可能以为量子通信一定超快，现在知道了，它不是快，微信传输的延时几秒，它就要延时几秒。它的威力在于加密！而且无条件安全的加密！

什么是绝对安全的加密，需要具备3大条件（香农证明过的）：

• 1）随机加密
• 2）明文密文等长
• 3）一次一密

这3个条件量子通信都满足了（不信你再看看）。

“无条件安全的加密”，听起来很牛是不是，别急，量子通信还有更牛的——它具有反窃听属性：

它能发现窃听者，而且，窃听者不知道被我发现了！

所以量子通信不怕窃听，也不怕破解，它只怕干扰。（比如，用强激光照射接收器）

好了，量子通信的就是这么简单又厉害。

再来看看我们熟知的加密方法：

• 1）传统的对称加密。它怕啥？怕密码本泄露！
• 2）非对称加密（如RSA）。 它怕啥？ 怕算力。它是能被破解的。（超级计算机曾经用几个月的时间破解过，如果是量子计算机呢？）

哦，刚才说到量子计算机。量子计算机为啥快？

量子计算机加速的根源在于量子叠加态的存在，在经典计算中，N位比特的CPU在同一时刻只能存储一种状态，但在量子计算中，N位量子比特的CPU在同一时刻可以同时保存2^N 个状态。所以，量子计算机的恐怖性能完全来源于并行，而非某种绝妙的算法。

我的分享就是这些。

如果想要了解更多，比如锲而不舍的科学家们是如何将双缝干涉实验改进演变到几近变态版本的，可以查阅原文：《猫、爱因斯坦和密码学 - 我也能看懂的量子通信》 作者：神们自己