今天，小编要和你们聊的是“量子通信”。
最开始计划写这个专题的时侯，小编的内心是很郁闷的。
“量子通信”这个专题，解析难度真心有点大......
它涉及到量子论、信息论这样的烧脑理论，还关联了密码学、编码学等一堆看着都要绕着走的复杂学科。
很多概念，光是看名子，都让人瑟瑟发抖——
想要把这种知识都解释清楚，实在是鸭梨山大
可是，量子通信这几年发展十分迅速量子隐态传输，频频在各大媒体中现身，吸引了广泛的关注。
关注之余，大家对它饱含了好奇和疑惑，渴望对它有更深入的了解。
所以，尽管难度很大，小编还是决定努力给你们做一个关于量子通信的专题介绍，帮助你们构建对它的基本认知。
好了，废话说了辣么多，我们开始吧。
Part.1 什么是量子？
让我们穿越时空，回到十九世纪末。
那个时代，是精典物理学的巅峰时代。以牛顿高手为代表的科学家们，在热学、热学、光学、声学、电磁学方面取得了突飞猛进的成就。
牛爵爷
在世人看来，整个科学体系其实早已搭建完成，无懈可击。
但是，随着时间的进一步推移，科技发展又步入了新的阶段。大量高精尖实验仪器的问世，帮助人们渐渐打开了新世界的大门。
科学家们的研究对象，从低速物体渐渐弄成了高速物体，再到音速、超音速、光速；从小型物体到大型物体，再到微观物体。
科学家们发觉，很多实验结果都难以用精典物理学解释，甚至和传统的理论认知背道而驰。
最为代表的，是「迈克尔逊-莫雷实验」和「黑体辐射」。
这两个概念极其复杂，限于篇幅，小编就不详尽解释了。我们只须要晓得，「迈克尔逊-莫雷实验」后来催生了大名鼎鼎的“相对论”。而「黑体辐射」呢，催生了我们明天的主角——“量子论”。
1900年10月19日，为了解决黑体辐射的紫外灾难，普朗克在德国物理学会上报告了关于黑体辐射的研究结果，成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。
在同年的12月14日（历史上也把那天觉得是量子物理的诞生日），他发表了《关于正常波谱的能量分布定理》论文，得到一个重要推论：能量是由确定数量的、彼此相等的、有限的能量包构成。
普朗克的发际线演化过程
（没事别去学化学，真的）
一个物理量存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。
“量子化”，指其物理量的数值是离散的，而不是连续地任意取值。
例如，和电磁波有关的光子，就不存在半个光子、三分之一个、0.18个光子这样的说法。
是不是有点晕？别急，我们总结一下：
量子一词来自拉丁语，意为“有多少”。
量子是能表现出某物理量特点的最小单元。
量子是不可分割的。
……
不知道有没有明白一些？ 我相信不少童鞋就早已落荒而逃了。
没明白也不用消沉，非物理学专业的童鞋，确实很难理解量子这个概念。敢于承认自己不懂，也是很了不起的。
不管怎么样，大家就先记住一点——光子就是一种量子。后面我们会用到这句话。
Part.2 量子知识体系的分类
首先，我们先看一下量子信息的学科分类。
量子信息结合了量子力学和信息科学的知识，属于二者的交叉学科。
而量子信息又分为了量子估算和量子通信。大家常常据说的量子计算机，就属于量子估算，和我们明天介绍的量子通信有很大的区别。
量子通信，分为“量子密钥分发”和“量子隐形传态”。它们的性质和原理是完全不同的。
简单来说，“量子密钥分发”只是借助量子的不可克隆性，对信息进行加密，属于解决秘钥问题。而“量子隐形传态”是借助量子的纠缠态，来传输量子比特。
接下来，我们分别介绍一下它们。
Part.3 量子密钥分发
▋ 3.1 密钥的重要性
首先，我们先来瞧瞧一次正常的传统加密通讯是如何实现的：
步骤1：A先写好明文。
步骤2：A通过加密算法和秘钥，对明文进行一定的物理运算，编制成密文。
步骤3：密文被传递给B。
步骤4：B通过揭秘算法（加密算法的逆运算）和秘钥，进行相应的“逆运算”，把密文翻译还原成明文。
步骤5：B阅读明文。
这种加密通讯的关键要素，大家都看下来了，就是秘钥。
对于第三方来说，获得密文十分容易——如果你用无线电传输密文，无线电是开放的，对方很容易查获。如果你用有线介质，通讯距离几千公里，也很难保证每一处的安全。
以我们现今使用最多的光纤为例，它就很容易被泄露信息：
光纤弯曲监听示意图
（通过弯曲光纤，外泄部份光讯号，进行监听）
所以，传递的信息，必须经过加密，才能保证安全。而加密使用的秘钥，非常关键。
当年二战，就是由于日军破解了美军的秘钥，结果将山本五十六的固话击毁。英军也是由于利用图灵的帮助，破解了美军的秘钥，最终获得战争优势。
关于秘钥，最初人们使用的是密码本，后来是密码机，再后来就是RSA等加密算法。
加密算法出现时，因为人和机器的算力有限，所以破解一个算法很慢，难度很大，时间很长。
现在，有了计算机、超级计算机，算力越来越强悍，破解算法的速率也越来越快——
算法在1999年就被破解；在2009年被破解；MD5和SHA-1两大密算也已告破……
在这些情况下，没有任何秘钥是绝对安全的。再复杂的算法，破解上去只是时间和资源的问题。
那么，究竟怎么样能够实现真正的绝对安全？
信息论创始人，通信科学的鼻祖，伟大的克劳德·香农先生，总结提出了“无条件安全”的条件：
密钥真随机且“只使用一次” 与明文等长且按位进行二进制与或操作
这样的方式，理论上是不可破译的，香农对它进行了严格的理论证明。
但它也有缺点，就是须要大量的秘钥，而秘钥的更新和分配存在漏洞（存在被监听的可能性）！
所以，不解决秘钥分发的问题，就不可能实现无条件安全。这也造成了在香农发布了这一成果以后，根本没有人才能使用这些方法。
而量子密钥分发，就是为了解决这个问题！
▋ 3.2 量子密钥分发的工作原理
注意，前方高能预警！请勿必跟上小编的思路！
1984年，IBM公司的研究人员和蒙特利尔大学的学者在美国举行的一个国际学术会议上递交了一篇论文《量子密码学:公钥分发和拋币》( : key and coin )。
他们提出了BB84合同。该合同把密码以秘钥的方式分配给信息的收发双方，因此也叫做“量子密钥分发”。
具体的原理如下：
因为光子有两个独立的偏振光方向，而且互相垂直。
所以，单光子源每次生成的单个光子，可以是这样：
我们可以简单选定“水平垂直”或“对角”的检测方法（我们称之为测量基），对单光子源形成的单光子进行检测。
当检测基和光子偏振光方向一致，就可以得出结果（要么是1，要么是0）；
当检测基和光子偏振光方向偏45°，就不能得出确切的结果。
光子都会变化，偏振方向改变45°，那么就是1或0的机率各50%。
所以，两种检测基，对不同偏振光方向光子的检测结果归纳如下：
好了，原理就是这样。
生成一组二进制秘钥的过程如下：
（注意！下面所说的过程，都是为了生成秘钥，不是在发送信息报文本身！）
发送方（我们先称为A），首先随机生成一组二进制比特（所谓的精典比特，0或1这些）。
例如：
A对每1个比特，随机选择测量基。
例如：
所以，发送的偏振光光子分别是（见右图中虚框）：
接收方（我们先称为B），收到这种光子以后，随机选择检测基进行检测：
例如依次选择以下检测基：
那么，测量结果如下（见实线框内）：
A和B通过传统方法（例如电话或QQ，不在意被监听），对比双方的检测基。测量基相同的，该数据保留。测量基不同的，该数据抛弃。
保留出来的数据，就是最终的秘钥。（下图中，1001就是秘钥）
如果，存在一个窃取者（我们称为C）。
如果C只监听A和B对比检测基量子隐态传输，那C会得到这样的信息：
不同不同相同相同不同不同相同相同
这个对他来说，没有任何意义。
C只能去检测A到B的光子。
注意！因为量子的不可克隆性，C没有办法复制光子。
C只能去抢在B之前进行检测（劫听）。
如果C检测，他也要随机选择自己的测量基。
那么，问题来了，如果C去检测刚刚那一组光子，他有一半的机率和A选择一样的检测基（光子偏振光方向无影响），还有一半的机率，会导致光子改变偏振光方向（偏45°）。
如果光子的偏振光方向改变，那么B的检测准确率肯定受影响：
没有C的情况下，A和B之间采用相同检测基的机率是50%。
所以，A和B之间掏出一小部份检测结果下来对比，有50%相同。
有C的情况下，A和C之间采用相同检测基的机率是50%。B和C之间采用相同检测基的机率是50%。
所以，A和B之间掏出一小部份检测结果下来对比，有25%相同。
由此，可以判断一定有人在监听。通信停止，当前信息作废。
对于单个比特来说，C有25%的机率不被发觉，但是现实情况绝对不止1个比特，肯定是N个数量级的比特，所以，C不被发觉的机率就是25%的N次方。
稍微懂点物理，就晓得这个数值的惊悚：
25%的10次方：9.-7
25%的20次方：9.-13
……
也就是C不被发展的机率极低极低。
能理解了吗？希望你跟上了思路，如果逻辑思维能力OK，这个过程应当是不难理解的。
总而言之，量子密钥分发（其实叫量子密钥协商，更为确切），使通信双方可以生成一串绝对保密的量子秘钥，用该秘钥给任何二进制信息加密，都会使加密后的二进制信息难以被揭密，因此从根本上保证了传输信息过程的安全性。
▋ 量子密钥分发的争议
其实，如果稍加思索，就会发觉这些秘钥分发形式存在一个问题，那就是——
这个方法只能发觉窃听者，不能保证通讯的稳定性！
你想，如果窃听者不停地监听，怎么办？A和B似乎可以随时察觉被监听，但是她们所能做的，就是停止通讯啊。如果通讯停止了，那通讯的目的就达不到了啊。
所以，业内对量子通信的争议，很大一部分就在于此：
“如果窃听者消失了，那么任何密码技术都是多余的。”
反对者的逻辑是：
如果青蛙躲在兔子壳上面，它一伸开头，鸟就啄它，那么它只能缩回来，它再伸，鸟再啄，它就永远没机会吃东西，只能冻死。
支持者的逻辑是：
通信的保密性要小于消息的稳定性。如果确认不安全，那即便不传。
如果我和你说话，我发觉有人偷听，那我就不说。但是，正常情况下，我们不可能坐以待毙，我们肯定会派人去抓出窃听者（量子通信里，根据估算，很容易找到监听点）。
对方不可能明知道会被抓，还坚持监听，再多的窃听者也不够抓的。
“通信秘钥分发”方式的量子通信，就是拥有随时发觉窃听者的能力，给窃听者以威慑，以此保卫自己的通讯安全。
如果真的是对方鱼死网破，全力制止你通讯，那么除了是量子通信，任何通讯模式都是无力抵挡的（针对无线通讯的讯号干扰和压制、针对有线通讯进行轰炸和破坏）。
世界上最可怕的，就是你的通讯被监听了，而你自己却不知道。
难道不是吗？
Part.4 量子隐形传态
接下来，我们来谈谈量子通信的另外一种形式——“量子隐形传态”。
如果说，量子密钥分发只是量子力学应用于精典通讯的一个小应用（加了把量子锁），那量子隐形传态，就是“真正”的量子通信了。
解释量子隐形传态之前，我们必须先解释两个重要概念——“量子比特”和“量子纠缠”。
▋ 量子比特
我们目前进行信息储存和通讯，使用的是精典比特。
一个精典比特在特定时刻只有特定的状态，要么0，要么1，所有的估算都根据精典的物理学规律进行。
但量子比特和精典比特不同。
量子信息植根于量子物理学，一个量子比特（qubit）就是0和1的叠加态。
相比于一个精典比特只有0和1两个值，一个量子比特的值有无限个。直观来看就是把0和1当作两个向量，一个量子比特可以是0和1这两个向量的所有可能的组合。
表示量子比特的Bloch球
Bloch球的球面，代表了一个量子比特所有可能的取值。
但是须要强调的是：一个量子比特只富含零个精典比特的信息。
因为一个精典比特是0或1，即两个向量。而一个量子比特只是一个向量（0和1的向量合成）。就好比一个精典比特只能取0，或者只能取1，它的信息量是零个精典比特。
▋ 量子纠缠
量子力学中最神秘的就是叠加态，而“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。
一对具有量子纠缠态的粒子，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。
例如，纠缠态中有一种，无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。
是不是想到了虫洞？
这种跨越空间的、瞬间影响双方的“量子纠缠”，曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”( a )。
爱因斯坦借此来指责量子力学的完备性，因为这个超距作用违背了他提出的“定域性”原理，即任何空间上相互影响的速率都不能超过光速。这就是知名的“EPR佯谬”。
大神之间的对决
后来，物理学家玻姆在爱因斯坦的“定域性”原理基础上，提出了“隐变量理论”来解释这些超距相互作用。
不久物理学家贝尔提出了一个不等式，可以来判断量子力学和隐变量理论谁正确。如果实验结果符合贝尔不等式，则隐变量理论胜出。如果实验结果违背了贝尔不等式，则量子力学胜出。
但是后来一次次实验结果都违背了贝尔不等式，即都否认了量子力学是对的，而隐变量理论是错的。
2015年，荷兰物理学家做的最新的无漏洞贝尔不等式检测实验，基本宣告了爱因斯坦定域性原理的死缓。
▋ 量子隐形传态
理解了量子纠缠，我们就可以理解“量子隐形传态”了。
由于量子纠缠是非局域的，即两个纠缠的粒子无论相距多远，测量其中一个的状态必然能同时获得另一个粒子的状态，这个“信息”的获取是不受光速限制的。于是，物理学家自然想到了是否能把这些跨越空间的纠缠态拿来进行信息传输。
因此，基于量子纠缠态的量子通信便应运而生，这种借助量子纠缠态的量子通讯就是“量子隐形传态”（）。
量子隐形传态的过程（即传输合同）一般分如下几步：
（1）制备一个纠缠粒子对。将粒子1发射到A点，粒子2发送至B点。
（2）在A点，另一个粒子3携带一个想要传输的量子比特Q。于是A点的粒子1和B点的粒子2对于粒子3一起会产生一个总的态。在A点同时检测粒子1和粒子3，得到一个检测结果。这个检测会使粒子1和粒子2的纠缠态坍缩掉，但同时粒子1和和粒子3却纠缠到了一起。
（3）A点的一方借助精典信道（就是精典通信形式，如电话或邮件等）把自己的检测结果告诉B点一方。
（4）B点的一方收到A点的检测结果后，就晓得了B点的粒子2处于那个态。只要对粒子2稍做一个简单的操作，它还会弄成粒子3在检测前的状态。也就是粒子3携带的量子比特无损地从A点传输到了B点，而粒子3本身只留在A点，并没有到B点。
以上就是通过量子纠缠实现量子隐形传态的方式，即通过量子纠缠把一个量子比特无损地从一个地点传到另一个地点，这也是量子通讯目前最主要的形式。
需要注意的是，由于步骤3是精典信息传输并且不可忽视，因此它限制了整个量子隐形传态的速率，使得量子隐形传态的信息传输速率未能超过光速。
因为量子估算须要直接处理量子比特，于是“量子隐形传态”这种直接传的量子比特传输将成为未来量子估算之间的量子通讯方法，未来量子隐形传态和量子计算机终端可以构成纯粹的量子信息传输和处理系统，即量子互联网。
这也将是未来量子信息时代最明显的标志。
注：上述过程描述文字直接引用了互联网文章《独家解密：量子通信怎样做到“绝对安全”？》 （张文卓 中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科学技术大学上海研究院）