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这昰我12月份花了一个星期时间研究并撰写出的长文一直忍着没发，还是有点小私心的结果还是没忍住:-p 本文包含了很多概念和知识点，可鉯对你的知识体系进行梳理

著明出处和作者，且非商业推广用途可转载，也可以进行不改变文义的编辑后转载不必特意告知。若是商业推广用途一字一软妹币，起且/或需告知并获得授权。引子

世界上有两门学问公认比较难：密码学和量子物理密码学难是因为世堺上有人太聪明，难在巧夺天工的构造和叹为观止的分析；密码学的加密解密过程充满了智慧、想象力和广博的知识面，而破译窃听过程又充满了博弈论精神所以纳什才疯了嘛，因为他是搞博弈论的密码学里的斗智斗勇、假想敌是需要博弈论，挑战人智商的结果精鉮分裂了，呵呵

而量子物理，难在大自然深奥难测其微观规律远离人们的直觉，是难以理解充满不确定性，“毁三观”的学科因為微观粒子所表现出来的某些特性，在宏观世界是无法重现无法模拟的。无论经典力学还是相对论去解释微观粒子现象，都无法做到唍美甚至有些是匪夷所思，无法解释的好像是上帝在扔骰子！

科学家用了近100年时间，仍然无法实现量子力学与广义相对论的统一但昰不代表这门学科进入了死胡同，我们依然可以利用已验证的一些量子物理理论来推动人类技术进步。

现在我要讲的就是量子通信——昰密码学和量子物理的结合的一门应用科学可想而知，这得有多难但是我国在这个领域可是走在世界的前沿，有可能因为这一突破让Φ国从此真正崛起就像18世纪的英国，20世纪的美国一样！

——潘建伟是谁（不关心可以略去这一节）

欧洲物理学会新闻网站“物理世界”公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破，中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等完成的科研成果“多自由度量子隐形传态”入选並名列榜首这是中国科学家有一重大的、世界级的研究成果。

潘建伟这个名字如果你去了解一下量子通信领域，他在这个圈内的知名喥不亚于那些娱乐圈明星，小鲜肉（潘建伟是个70后在中国可以说是非常年轻有为的科学家了）。

我们看一下他在这个领域的出镜率囧：（具体可以百度，好搜）

1、1997年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟和荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传輸

2、2006年夏,我国中国科学技术大学教授潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学-维也纳大学联合研究小组各自独立实現了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验由此打开了量子通信走向应用的大门。注：诱骗态这里解释一下，充分体现人的智慧——大体意思是说以单个光子去发密钥，理论上是可以但是实际上很难做到，必须要发一批相同密钥的光子过去財能保证对方能接收到，但是这样的话窃听者就可以中途偷走一个，偷梁换柱又因为通道是有耗损的，所以伪装成耗损是无法被察覺出来的。因此窃听者就拿到了跟接受方一样的密钥这意味着不安全!

所以，科学家想到一种办法通过发一批混有真密钥和假密钥的光孓给接收方，接收方可以通过一种方法（具体可以百度关于井水蒸馏的寓言故事）分离出真密钥光子，而剔除掉所有假的但对于窃听鍺来说，他只有偷换足够多的样本量后才能确定信息真假（概率学），这必然会暴露从而实现的信道安全。

3、2008年利用冷原子量子存儲技术，在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综の间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果完美实现了远距离量子通信中急需的"量子中繼器"向未来广域量子通信网络的终实现迈出了坚实的一步。2008年底潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统，茬合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一(另一小組为欧洲联合实验团队)。

4、2009年9月潘建伟的科研团队正是在3节点链状光量子电话网的基础上，建成了世界上首个全通型量子通信网络首佽实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化偠求。

5、中国科学技术大学教授潘建伟、彭承志、陈宇翱等人与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合團队，于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发实验证明，无论是从地面指向卫星的上行量子隐形传态还是卫星指向两个地面站的下行双通道量子纠缠分发均可行，为基于卫星的广域量子通信和大尺度量子力学原理检验奠定了技术基础

6、2012年，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发为发射全球首颗"量子通讯卫煋"奠定技术基础。国际权威学术期刊《自然》杂志8月9日重点介绍了该成果"在高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距離将可以达到1000公里以上基本上解决量子通讯卫星的远距离信息传输问题。研究组成员彭承志介绍说量子通讯卫星核心技术的突破，也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性

潘建伟有关实现量子隐形传态的研究成果入选《科学》杂志"年度十大科技进展"，并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为"百年物理学21篇经典论文"

当然国内外其他科学家在這一领域也作出了很多贡献，也是多方协作才取得了这些突破（创新是网也是树）

这里要插一句，网上也有人在说潘建伟欺世盗名人品差，爱吹牛骗经费，说他不配当院士更不配拿诺贝尔奖（潘在2004年曾表示过想争一争诺贝尔奖）。还说他是二流的物理一点五流的技术。我不知道这些人是处于什么心态诺奖是每一个搞物理搞科学的人的梦想，说说又怎么了说他没什么理论建树，这又怎么了牛頓都说自己是站在巨人肩膀上取得的成就，哪个科学家不是继承了前人的思想、理论才实现突破的潘本身应属于实验物理学派，他关注嘚是应用这难道不是应该得到褒扬和鼓励的吗？

——为什么说量子通信技术这么重要

密码，我们几乎时时刻刻都在用解锁啊，登陆啊转账啊，等等因为它能保证通信和交易的安全。经典的、传统的公开密钥算法（RSA）,简单来讲就是我密钥越长，越安全这个大家嘟能明白。但是毕竟是有限的密码长度随着计算机更新迭代，美国人在研发量子计算机（斯诺登说的）这种计算机的运算速度有多快呢？打个比方对一个500位的阿拉伯数字进行因式分解，目前先进的计算机需要几十亿到上百亿年（宇宙的年龄）这么长时间才能完成，洏量子计算机可能只需要几分钟

《模拟游戏》电影里的图灵，就是依靠研制计算机来破解密码理论上讲，只要有足够先进的计算机任何有限长度的密码都可以破译。

怎样才能实现无法破解的密码换句话说，实现通信的绝对安全呢 其实，早在1917年就有人提出只要实現“一次一密”的方式就能够做到这点。也就是说每次传递信息的长度跟密码本的长度一致，并且密码本只能用一次这样肯定安全嘛！对当时来说，这只能是个理论根本不可能实现。但是通过量子密码学的研究，这是可以实现的

神秘了100年的量子物理，终于派上用場了走入了人们的视线。

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一时间一些“量子通信”的概念股被人们所关注道理很简单也很深刻。第一由于量子密码学可以实现无法破解的密码，那么就能保证通信的绝对安全这对于我国国防建设有着至关重要的意义，这个道理就不用多说啦；第②在互联网时代，人们大的需求之一就是对保护隐私的需求。总是有各种漏洞各种黑客，让我们缺乏安全感如果量子通信实现，那么谁拥有这项技术谁就能立于不败之地！

虽然说的那么好，这玩意真的靠谱吗很多人怀疑它的真实性，甚至认为这是一个惊天大骗局大阴谋。

而我认为这种通信方式真的可以实现了（后面会详细解释），或者说已经实现了——国际上这一领域的专家认可我当然囿理由相信这事是真的嘛！而且在不远的将来（10年左右），这项技术将走向成熟并实现产业化、普及化，终人类将迈进“量子互联网时玳”

——什么是量子物理学？

量子物理学是研究微观基本粒子的运动规律和物理特性的科学公元前五世纪希腊哲学家德谟克利特就认為，万物是由大量的不可分割的微粒构成的2400多年过去了，而这个观点依然被认为是正确的量子物理正是继承了这一观点，从粒子角度詓研究世界的本质这符合我们的习惯（这与后来的弦论是不同，弦论是认为世界是由闭合的弦——脑补橡皮筋的画面——构成的目前呮有理论成果，没有试验能验证因为它的尺度已经大大低于或高于人目前的试验能力，而且非常晦涩难懂）比如从量子力学角度，微觀粒子有质子电子，夸克中微子等，从量子场论讲电磁场的小单位是光子，强力场的小单位是胶子弱力场的小单位弱规范玻色子，引力小单位是引力子（目前还没有被发现）

是正因为世界是由这些微观粒子组成的，所以产生了一派还原主义者认为只要能全面认識这些粒子，那就能认识世界的本质和全貌他们认为生命和宇宙奇迹不过是循着物理学定律规定的舞步不停舞动着的微观粒子的反映。

這种观点我是不会接受的属于机械唯物主义，人的喜怒哀乐知觉、感受、意识难道也是粒子之间按照一定规律相互作用（比如碰撞）產生的吗？那人跟一块木头有什么区别这种决定论、必然论，很让人气馁

包括爱因斯坦的“统一场论”，都带有还原主义的色彩统┅场就是说，麦克维斯把电和磁统一于电磁场就是说电能转化为磁，磁能转化为电爱因斯坦的狭义相对论认为时间和空间是统一的，時间可以变为空间空间可以变为时间。那么宇宙应该存在一个统一的场实现所有物质能量的相互转化。结果爱因斯坦苦苦追寻了30年，也没有实现物理学的大一统以至于他自己都怀疑自己“跑偏了”，后期也没有任何成果当然，现在的弦论又重新拾起了这一理论泹缺乏靠谱的实验或观测验证（就像霍金的黑洞一样），这里就不谈了

事实上，的确是还原主义者想多了当科学家去研究微观粒子的時候，量子物理又走到了另一个极端——发现这些粒子完全处于不确定的状态根本没有什么规律可言。然而当我们否认还原主义的时候还没来得及庆祝胜利，量子所表现出来的诡异性又把我们拖到一个不寒而栗、极度不安的境地！

比如经常谈到的“爱因斯坦的幽灵”——量子纠缠超距传输，又比如十大经典物理实验之首——电子双缝干涉实验

爱因斯坦认为，物理学存在定域性就是说一个物体在这個地方运动，不会干涉到另一个物体在另一个地方运动而且如果某个物理理论是完备的，那就能预言某种现象的发生比如，狭义相对論相对运动的物体时间会变慢，后来的确被验证了（原子钟实验）；广义相对论引力导致时空扭曲也被验证了；比如，微波背景辐射预言存在一个高于绝对零度的温度在宇宙中均匀存在，这个也被红移现象验证了；比如杨振宁，李政道的宇称不守恒被一个女物理實验学家吴健雄验证了，等等这两个原则决定了我们可以举一反三，推己及人说明人可以认识的到一切的规律。

而量子物理学却狠狠嘚否认了这两个原则（EPR佯谬）这也导致了爱因斯坦跟波尔成为一辈子的宿敌。

比如量子纠缠超距作用，是指微观世界中的粒子之间所發生的相互影响没有时间和空间障碍也就是说两个相互关联的微观粒子无论相隔多远，一个粒子的量子状态改变（如被测量）和另一个昰同步发生的

量子是独立的不可再分的粒子，而量子纠缠现象说明挨的特别近的两个量子，会产生纠缠通俗的说一个是正（上旋），另一个必然是负（下旋）而且一旦建立起这种联系，那么无论它们距离多么远这种纠缠状态不会改变。

了解量子纠缠有多么怪异峩们可以拿电子的“自旋”作例子。电子的自旋与陀螺不同其状态总是游移不定的，直到你观测它的那一刻才能决定用可以理解的话說，当你观测它时就会发现它不是顺时针转就是逆时针转。假设有两个互相纠缠的电子对当其中一个顺时针转时，另一个就逆时针转反之亦然。不过奇怪之处是它们并没有真正连接在一起对量子理论坚信不疑的波尔和他的同事们相信，量子纠缠可以预测相隔甚远的電子对的状态即便它们一个在地球，一个在月球没有传输线相连，如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转那么另一个茬同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说如果你对其中一个粒子进行观测，那么你不止是影响了它你的观测也同时影响了它所纠缠嘚伙伴，而且这与两个粒子间的距离无关两个粒子的这种怪异的远距离连接，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”

近由荷兰代尔夫特科技大学的Ronald Hanson领导的科研团队，终于实现了没有漏洞的实验观测50年来第一次无懈可击地直接证明了贝尔不等式不成立。（贝尔不等式就昰以数学的方式来证明“隐变量”的存在从而证明爱因斯坦是正确的，但是实验条件非常苛刻需要制造大量的纠缠量子）

Hanson团队的实验設计十分巧妙。他们在相距1.28千米的两个实验室里分别用微波去激发处于极低温的钻石里的电子。当电子被激发出来时它们同时也放出與自身相纠缠的光子。两边的光子通过光纤传送到位于两实验室之间的另一个探测地点这里精确记录着光子到达的时间。如果两边发射過来的光子同时到达并以特定方式干涉那么两个光子就会立即将自己所“代表”的电子纠缠起来，实现远程的量子纠缠这好比远隔10万咣年的牛郎和织女各派一个天使在鹊桥相会，如果两个天使同时到达并正确表达了主人的意思那么牛郎和织女就实现了远程的“约会”。

实验结果：找到了200多对可以远程纠缠的电子——爱因斯坦认为不存在超距现象而是由某种没有认识到的“隐变量”在起作用——这个實验证明爱因斯坦错了，并不存在隐变量即使完备的物理描述也无法解释这种现象。

科学就是这样不断地证伪，不断进步连霍金也缯经表示，他对黑洞的认识可能也不太对

再来说说“电子双缝干涉实验”，这个更加难以理解而且异常恐怖！

初设计是想证明凡是粒孓都具有的波粒二象性，不光是光子光子就是电磁场中的小单位，因此电子也具有光子的特性

实验通过一开始是发射有一定偏折角度嘚电子，让电子只通过一条窄缝但是结果在屏幕上出现了一条条的干涉条纹（双缝干涉=波动性）。按理说如果每个电子都通过指定的┅条窄缝的话，应该只出现一道条纹（单缝衍射=粒子性）只有当两条窄缝都有电子通过的情况下，才会出现波的干涉

会不会因为实验儀器的问题，有一部分电子从另一条窄缝穿过了呢

接着科学家又改进实验，让电子一个一个的通过指定的一条窄缝相邻两个电子发射嘚间隔时间足够长，保证前一个电子已经到达屏幕再发射第二个电子，结果屏幕上积累了足够多的电子以后仍然出现了干涉条纹！

科學家很疑惑，这次干脆把其中一条窄缝盖住 让50%的电子一个个只可能通过另一条窄缝，结果屏幕上出现了一道条纹；然后再把遮盖物拿走让剩下的50%电子再一个一个发射过去，然而结果又出现了诡异的干涉条纹科学家们无法解释这种现象，好像电子具有智能知道前面是雙缝还是单缝！

没辙了，只能搬来高速摄影机看看电子到底是怎么通过窄缝的。然而电子好像知道人在观察它们一样这次实验的结果昰屏幕上出现了一道条纹，不再是干涉条纹！也就是说好像每一个电子都“心有灵犀”默契的表现出粒子的特性，而波的特性消失了！

科学家们很崩溃但有人认为是观测设备干扰了电子的状态（不确定性原理，后面会讲到）摄影机发出的光子会影响到实验电子的状态。

观测可能会改变实验结果不观测就无法知道真相，那可怎么办

后来有位著名的量子物理学家，爱因斯坦的同事约翰.惠勒在纪念爱因斯坦100周年上提出这样一个方案叫“延时选择”。

实验很巧妙具体问度娘（上图为实验过程，看不懂可以忽略）我用人话翻译一下就昰：遮住一个窄缝，发射单个光子当我确定单个光子已经通过单个窄缝（时间=路程/速度）后，没到达屏幕之前再把遮盖物拿掉（瞬间變成双缝），按理说光子已经选择了一条路径前进，应该只出现一个点但实际上，却出现了干涉条纹！好像拿掉遮盖物这个动作导致了时光倒流，这个光子重新回到双缝前并分别同时穿过两条窄缝，形成自我干涉！观察者现在的行为决定了光子过去的路线！因果律崩塌了就好像拍完电影以后，才决定你的角色！

当然也有一些解释比如说平行宇宙，这里不展开了

另一个比较被认同的解释是，根據海森堡的不确定性原理（也叫测不准原理）——位置和动量是不能同时测量的即不能得到一个物体准确的位置和动量，位置测量越准动量越不准，反之亦然

这个怎么理解呢？比如拍篮球手跟地面的距离越大，篮球上下的速度越慢也比较好测定，而位置就难把握叻；当拍球的手慢慢下降篮球上下起伏就越快，位置相对固定但速度却越来越难测定。在微观更是这样你用大的箱子去困住电子，對它速度的影响就越小就能测到它的速度，动量但是位置就难以确定；而用小的箱子去困住电子，虽然限制了它的运动范围但它的振动频率就越高，能量就越大扰动就越大，表现的越混乱 你用一个光子的波长（比如摄像机）去测量一个电子，那电子的状态就更加混乱了

从宏观上也是适用不确定性原理的，比如你在赛车场看比赛对行驶中的赛车拍了一张照片发朋友圈，但是这张照片可以反映出這辆赛车的位置（根据周围环境定位）但是你能算出它的速度有多快吗？

再比如说上楼梯还是下楼梯的猫你知道它在楼梯的位置，但昰方向和速度是无法判断的也就是说测量，观察就会影响结果，那我们这个世界是客观存在的呢还是我们观察而形成的呢？呵呵

根據不确定性原理科学家认为微观粒子具有概率波的特性，比如电子可以出现在空间的任意位置，可以在实验装置内也可能在半人马煋座上，只不过概率不同而已一个人不停走近一堵墙，经过长达宇宙年龄的时间是有可能出现在墙的另一侧的。——难以想象吧很哆科幻小说家就经常用此来编故事。

回到双缝实验一个电子到达屏幕的路径可能有无数条，可能是直着走也可能绕着走，也可能先去叻银河系以外的某处有折返回来（费曼的路径求和）但通过两条缝的概率是大的（都接近50%）。遮不遮住其中一条缝只是影响了通过两條缝的概率，所以不论你在电子到达屏幕前的任意时间遮住或打开一条缝，都会使那一条缝通过的概率陡降或陡增因此仍然会出现干涉信号。

不管解释是怎样的对于我们常人来讲都难以用常识来理解。

量子纠缠光的二态性，延迟选择实验结果薛定谔的猫是死是活，这样有趣的、奇妙的、匪夷所思的甚至毛骨悚然的量子物理学问题，实在是让人难以接受甚至会彻底颠覆人对一切的认知，只能诉諸于哲学、神学或宿命论我们本能的不愿去触碰这个“上帝在创世前打造的地狱”。

所以说对于量子物理领域的成就人们往往本能地詓质疑和否认，以寻求内心的平静

大概是这么一个心理过程，首先看到了取得了巨大成绩然后觉得很新鲜，可以作为吹牛的资本结果去看了一些资料，发现这个太恐怖了太恐怖了，无法理解没法用逻辑描述，越想越可怕简单的办法就是否认它。

面对这样的科学那我们还能做什么呢？

就像我们对大脑的认识是一片混沌无法参透大脑的运作机制，但却不妨碍我们利用大脑来改变、创新、创造實现我们生活的一切。只要我们利用好这个灰箱我们一样能让这个世界更加精彩！

铺垫了这么多，下面我用人话来翻译下什么是量子通信怎么实现量子通信。

——什么是量子通信怎么实现量子通信？

量子通信确切讲叫量子保密通信。保密的方法可以两种：

一种是仳如A和B之间拉一条专线（如光缆），专线中间布满我们的岗哨任何想截获我们信息的间谍，必须在光缆上做手脚才能窃听必然会被我們的哨兵拿下。这样我们直接用明文交换信息就可以了也就是保证了通道的安全。但是物理隔离的方法肯定不现实，效率低成本高距离有限。而量子的引入就能解决这一问题

另一种是，我把信息加密通过公共信道传递，比如互联网相当于把信息放在一个带锁的尛箱子了，只有拿到钥匙的人才能打开箱子获取信息。也就是我们说的传统加密方式上面也探讨过了，随着技术的进步这种方式也昰不安全的。但是用不确定性的量子来加密，就能保证信息的安全可能会问了，不确定性的密钥加密的东西怎么解密呢？这个后面會讲到

由此引出了两种量子通信方式，一种是基于BB84协议的量子密钥传输BB84协议可以理解为我们现在的TCP/IP协议，就是信息有效传递所遵守的規则只不过更高级。这个协议早在1984年就已经提出了但是真正实现还要等到十几年后，也就是潘建伟那一帮科学家做的事BB84协议，更多嘚意义在于确认信息通道的安全性不是用来通信，而是被动的检测通道的安全性

另一种是基于E91(1991年)协议纠缠光子的量子隐形传态。简单嘚讲利用量子的纠缠效应，把纠缠的两个光子分别发给A和B,A的信息跟一个光子结合，B处的光子由于神奇的“心电感应”可以把A的信息唍美复制出来。这样A和B之间就不会有任何人能够窃听到信息的内容

两种方式，均不违背海森堡不确定性原理和爱因斯坦的光速不可超越嘚结论具体分析如下：

1. 光的偏振：我们知道光具有波动性，也就是光在传播过程中是一边振动一边往前走，振动可以是空间内垂直于傳播方向的任意方向但是我们在中途加一个偏光器后，只有垂直方向的光能通过这个在显示器，太阳镜照相机等都有应用，跟我们苼活息息相关

基矢或叫基底，或正交基：就相当于二维空间的x,y轴三维空间的x,y,z轴。下图就是平面内两种基矢的样子左边一个是0°，90°方向的，右边一个是-45°，+45°方向的。如果把基矢想象成偏振器，那么当一束光通过某个基矢后，只有这个方向偏振的光子被保留下来了也僦是说这个光子的偏振状态是唯一的。好比一根绳子穿过篱笆你从一头上下摆动，篱笆对于绳子是“透明”的不会干扰摆动，如果你咗右摆动绳子的波就被阻挡了。

明确了这两个概念后我们来看如何实现A到B的密钥传输。习惯上A叫做Alice,B叫做Bob, 窃听者叫做Eve。

(1)Alice用水平垂直基矢和斜45°基矢对光子进行制备，并对制备后的偏振状态进行赋值。如下表：

也就是说水平垂直基矢上筛选（注意是“筛选”而不是测量！测量就会改变光子的状态，筛选是保留某一部分的具有特定性质的光子）出来的光子如果偏振状态表现出是90°代表二进制数1，如果是0°代表二进制数0另一种基矢也是一样的。

（2）Alice随机选择一批具有一定偏振状态的光子通过某种经典信道（比如光纤或者其他可以传递咣子的通道，比如发个快递包裹）发送给Bob如图a行所示，Alice可以发送长度为N的随机脉冲序列

注：本图和相关分析参考了一位知乎回答者的評论，后来怎么也找不到了在这里表示十二分的感谢！

3）Bob接收到Alice光子，比如说对第一个光子，随机选择一种基矢进行测量如果Bob和Alice选擇的是一样的基矢，那么测出来的结果肯定跟alice记录的结果一样的在图c行中，第一个光子就选错了而第3个，第5个和第10个就选对了。对於其他选错的基矢光子的表现是完全随机的。因为只有0和1两种赋值所以错误率是50%。

（4）Bob把测量结果通过经典信道比如说公开打电话，跟Alice进行核对这样就能剔除错误结果，保留正确结果这样就形成了长度为M（M<N）的二进制串,成为原始密钥。

（5）这个时候Alice已经知道Bob测量光子用的基矢序列，那么她再次发送随机脉冲序列的时候立刻就知道Bob哪些是对的哪些是错的。就好像Alice老师出了一份卷子给学生Bob做因為Alice太了解Bob的掌握知识的水平了，Bob还没拿到试卷就能立刻给Bob打分！

（6）接下来就简单了，每次Alice给Bob发随机脉冲的时候同时附上一份对错序列表。Bob收到脉冲以后用对错表跟自己的测量结果进行比对。如图d行和图e行, Bob看到第三个是对的偏振状态是90°,那么代表数字1，第五个是对嘚代表数字1，第十个是对的代表数字0。组合起来就是110然后拿来锁着机密文件的密码箱，输入110（这是个比喻）箱子就开了，这样信息就成功送达了

为什么Eve没办法窃听？

如果你能看懂上面6步就知道Eve窃听是不可能的。

第一如果在Alice传送光子的时候进行窃听，那么必然偠对光子进行测量由于Alice基矢选择是随机的，Eve不可能正好跟Alice选择一样的一组基矢Eve选择每一次选择正确基矢的概率是1/2，如果这个基矢序列囿20位那就是1/2的20次方，序列越长正确率越低。同时由于Eve的测量，导致光子的状态发生改变Bob收到光子后，跟Alice进行核对发现错误率明顯提高了。说明中途肯定被别人窃听了那么这条信道就不安全了，二者将停止通信

第二，由于单量子态的不可复制不可克隆性（1982年Wooters囷Zurek提出的）。从经典'克隆'的意义上说要想精确地复制一个物品，首先就要得到（测量）这个物品的所有的信息然而，对一个遵循量子規律的系统我们不可能同时精确测量它的所有物理量，因为根据“海森堡测不准原理”在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量昰不可能的，我们只能精确测定两者之一

那么，Eve就算截获了Alice发送的光子也无法完美复制出一个给Bob,这样同样导致窃听暴露。

第三即便Eve竊听到了Bob的基矢测量序列（因为是通过经典信道传递的嘛），那么他也无法知道测量的结果是什么（0还是1），只有把光子拦截下来再根据Alice的对错表，才能知道密钥是什么这样Bob就收不到光子了，窃听暴露如果Alice没有将对错表一起发送呢？Eve也无法知道截获的信息哪些是对嘚哪些是错的。

Eve的窃听计划被彻底挫败了！

只有一种方法可以让Eve拿到正确有效的信息——那就是Eve跑到Bob家里拿枪指着他，让他接受信息并破译——这就不叫窃听了。哈哈！

由此可见理论上讲，量子密钥传输可以保证信道的绝对安全但是也存在漏洞，不细谈了上面吔提到过。大体上是这样的因为单光子传送过程中会有噪音干扰，理想状态下信道才是绝对干净的所以Alice会发送多个携带相同信息的光孓脉冲序列给Bob,保证他能够接收到其中一条。这时候Eve可以伪装成噪音截获其中一条，再根据公共信道窃取的Bob的基矢表和Alice的对错表，一样鈳以获得正确的信息这就涉及到了安全性分心、诱骗态方案等，这里就不再展开

我也在思考用通俗易懂的话来描述整个过程。简单来講好比是，A有个冰激凌甜筒里面藏了一颗求婚戒指，让C交给B如果中途C想把戒指取出来，一定会破坏这个甜筒哪怕只是舔一口！这樣B必然会发现C动了这个甜筒，一枪把C干掉

无论如何，我想大家可以对量子密钥传输充满信心这项技术绝对是可以理解，可以实现的！

這意味着什么 意味着《模拟游戏》图灵那帮人干的事情，将成为不可能和无意义！因为他们是截获信息按住不表，德军并不知道信息巳经被窃听了如果当时德军懂得量子密钥传输，那么德军必然会知道通信不安全盟军的长线布局就会破产。呵呵有点邪恶。。

我們看到第一种保密方案是基于信道安全的，并不能保证信息不会被窃取万一有一条重要信息被窃取了，那后果是可怕的

科学家们想箌了能不能利用量子的不确定性原理，来实现信息不可破解的加密呢

了解了第一种方案后，你可能会发现这种传递非常低效而且容易被干扰。不仅因为需要多次经典信道分享信息而且还不能保证传输过程中噪音干扰导致信息失真。

那么能不能脱离或者减少经典信道的使用次数来达到更好地效果呢？

答案是可以的！就是利用量子纠缠的“超距作用”来实现！

这个方案的过程其实很好描述但是如何实現，如何操作是一个比较难理解的。我先进行简要描述然后再通过对几个名词的解释，来丰满大家的想象吧！

图中左边的Alice想要把X粒孓的量子态传给Bob。她利用纠缠光子对A和BAlice拥有纠缠光子中的A，而Bob拥有B纠缠光子A、B构成量子通道，电话或是互联网可作为经典通道首先，Alice对需要传送的X和她手中的A作"贝尔联合测量"测量后，X的量子态塌缩了A也发生变化。因为A和B互相纠缠A的变化立即影响B也发生变化。然洏Bob无法察觉B的变化，直到从经典通道得到Alice传来的信息比如说，Alice在电话中将测量结果告诉Bob然后，Bob对B进行相应的幺正变换处理后，B成為和原来的X的量子态一模一样这个传输过程完成之后，X塌缩隐形了X所有的信息都传输到了B上，因而称之为"隐形传态"

对比普通的信息傳递过程，比如说扫描到打印

从上图看到，比之"量子隐形传态"电传过程少了一个纠缠对构成的量子通道。在电传过程中首先，Alice将上媔印有图像信息的蓝色纸X进行扫描得到需要传输的图像信息。然后将此信息从经典通道（互联网）传给Bob。Bob收到图像后用另外一张纸B（绿色）将图像打印出来。在这种传递过程中"图像"只是X的一部分信息，X的其他信息诸如纸张材料、颜色、大小、厚度等等，并不能从掃描过程得到也没有被传递过去。况且即使是Bob知道了这些性质，造出一张表面看起来完全一样的纸来打印图像后来的B也不能说是和原来的X的状态一模一样的。因为肯定不可能保证每个分子都一样吧

而在量子隐形传态中，后的B是和原来的X的状态完全一样的换言之，電传时传输后所复制出来的只是纸上图像的信息，没有复制出任何'实体'本身量子隐形传态却有点像是：从得到实体的完整信息，而复淛出了'实体'本身尽管只是一个小小的量子态！这样说，人们可能要心情激动、欢呼雀跃：“啊！科幻电影中远距离传物的时代就要来临叻！” 其实远远不是这样那种想法是一个误解。我们这儿谈论的"复制"不过只是一个量子现象完全不知道如何才能复制一个较大的、真囸的物体。即使是海边一颗小小的沙粒的传输复制也还相距十万八千里。

纠缠光子：也叫EPR纠缠光子对上面已经提到，这样一对光子潒双胞胎兄弟一样，不管分开多远二者的表现都是完全相反的，就是这么神奇！

贝尔联合测量：这要用到分光镜等具体实验就不介绍叻，可以去问度娘中心思想是，单独测量一个量子是测不准的只有把两个或两个以上量子组成一个系统进行测量，才能得到确切的信息比如，A在B的什么方向 A相对于B怎么运动，B相对于A怎么运动（爱因斯坦的相对性原理）等等这些信息属于经典信息，而单独对A或B来說，它们的量子信息是不可知的

X的量子态塌缩了：这句话怎么理解呢？先告诉一个事实两个粒子的贝尔联合测量的结果有四种可能，佷抽象我也没做个这种实验。简单的讲就是0和1的排列组合：00，0110,11这四种可能，而且概率都是相等的也就是说，我们在没进行联合测量之前是不知道X和A的测量结果是哪一种的，但是当我们测量后就知道它们表现为哪一种形态。这就像薛定谔的猫在没打开箱子之前，这只猫是死的也是活的当打开以后，这只猫是死的还是活的，就确定无疑了量子态的坍缩，就代表概率的坍缩就好比抓阄，前媔人的抓到大奖的概率都是一样的但是当抓到唯一一个大奖以后，后面的人就再也抓不到了

Bob无法察觉B的变化。为什么Bob无法察觉B的变化呢由于X和A的联合测量，使得B表现出X的量子态可以这样理解，A和B纠缠A又跟X纠缠，由于测量导致A和X的系统状态确定，B为了和A继续纠缠必须“装”成X的样子。打个不恰当的比喻A和吧B是男女朋友，X是小三A和X勾搭上了，B知道了A和X是怎么勾搭上的为了挽回A，B就表现的像尛三一样来重新抢回自己的男朋友（会不会被骂死……）。当然由于B是单独的量子，是测不准的所以无法察觉变化。

幺正变换：这個名词看起来挺神秘的其实就是坐标系的转换。比如e1,e2这个坐标系是我们熟悉的水平垂直坐标系，而e?1, e?2也可以作为一个坐标系表达岼面内所有的点。但是同一个点在两个坐标系的取值并不相同，需要一个转换系数也就是夹角，来统一两个坐标系幺正变换就是根據传递过来的经典测量信息，将B的坐标系转化成X的坐标系这样其实就跟X一模一样了。

X所有的信息：所有的信息就是指上面所提到的可鉯确定的经典信息（贝尔联合测量）和不可确定的量子信息（X的量子态）。一旦两个信息都完备了那么X就被完美复制出来了。引申一点我们人也是由量子组成的，但是每一个量子是不可测的但是组合在一起（统计量）我们就成为了人。我们可以分析我们的生物结构甚至DNA，但是我们对于意识是怎么来的却一无所知。这就是物质与意识的统一人不同与石头，可能是因为人身体里就存在某种“贝尔测量”的工具所以能将客观世界改造成我们脑子里想的东西。

远特喜牛APP是怎样做的

X塌缩隐形: 正是因为B继承了X的所有信息X的量子态也就没囿存在的必要了。这里要注意X粒子并没有消失，而是要传递的量子态消失了（小三的招数被识破了她自然就不会再用了，呵呵）这鈈违背单量子不可克隆定理。打个不恰当的比喻有点像《大话西游之仙履奇缘》里的“移魂大法”，猪八戒变青霞

我们再来看看那个苦逼的Eve。

Eve可以窃听Alice通过经典信道传递的贝尔测量信息但是他手里没有纠缠光子，Wasted! 如果去截获传给Bob的光子那Bob就收不到，Alice就不会发送测量信息Wasted! 另外，现在的技术可以通过卫星来分配密钥，也就是纠缠光子对Eve想去截获这个光子，简直是大海捞针大海捞针都是客气的了，就好比在整个银河系里去定位一粒尘埃！

所以，Eve只能把Bob干掉伪装成Bob,然后才能获取有效信息。但是如果Alice和Bob有暗号呢天王盖地虎，宝塔镇蛇妖Eve对不上来，还是Wasted! 也就是说我们一样可以通过人的智慧来提高Eve的风险和成本，保证信息的绝对安全

这个图就涵盖了两种量子通信的基本过程。我想看到这里大家可能会觉得量子通信还是挺靠谱的。两种方式并不违背光速不可超越和测不准原理所以说我们有苼之年是可以看到，并享受这样技术带给我们的不确定性的未来

为什么说是不确定性呢？

我这里做个预言吧推演一下，看看这个逻辑講不讲得通

第一步，量子通信由于潘建伟等人的努力，可以实现远距离传输并可以进行中继，保证信号不衰减这样就可以运用于國防。知己知彼百战不殆。现在是“我知道你你不知道我”，你还敢打我吗这就好比《三体》里的地球人和三体人，三体人思想是透明的没有隐私，靠技术碾压地球人；但是地球人的思想是不透明的所想的、所说的、所做的，都可能不一致这就是为什么有“面壁计划”，以及为什么罗辑后能胜利成为执剑人。如果美国人研制出了量子计算机我国实现了量子通信，那么美国再牛也无法撼动峩大天朝！

第二步，还是由于潘建伟等人的努力军事变为民用，形成量子化的互联网商业机密、人的隐私都可以得到有效保护，成就叻一批世界著名公司造就出一批像比尔盖茨、乔布斯这样的人物，世界一片欣欣向荣人类文明又迈上了一个新台阶。

第三步到前两步，我们的世界可以说是很美好的但是随着量子通信的普及化，学习量子通信的那些新IT以及越来越的普通人人开始关注、了解、熟悉量子领域的理论和知识，这就会出问题！随着物质生活的充裕人的精神需求将迎来一个大高潮！就像我上面所提到的那些量子领域匪夷所思的现象，人们会去探究为什么会是这样我们的世界怎么了？如何看待我们自己这样会涉及到一些敏感问题，有些人应该能先知先覺知道我想说什么。

后一步有点科幻了可以忽略。（第四步如果弦论，M理论高维空间等能得到验证，那么T.O.E这统一万物的理论就能夠消除我们的不安和惶恐但是目前的实验水平，是无法去探测小于普朗克常数（10-34）尺度下的超微观世界这个可能在几百年内都不会实現。各国投入大量金钱进行实验竞赛终会不会产生某种可怕的东西呢？）

这些只不过是我的猜测没有什么根据。下面我来升华一下吧!

——几点认识（前方高能！）：

其实我也是通过一个偶然的方式（qq群聊天）了解到量子通信然后开始关注它，理解它发现它其实离我們已经很近了。所以想写一篇文章来帮助大家理解至少在思想上做个准备吧。

整片文章我的其实是谈如何在不确定的情况下去实现确定性的东西这就是人的智慧所在！我们不知道的事情太多了，但是我们依然活的很好只要能利用好大脑这个灰箱，就可以利用其他的灰箱来创新创造这就是人类进步的过程，创新的过程

人现在的大脑跟两千多年前古人的大脑也没什么区别，可能还不及先人的智慧就潒我，并没有太多物理知识也没读过太多书，但是我发现一些问题后自然而然的去假设一些可能性去解释它（的逻辑），隐隐约约就觸及到比如弦论高维空间等概念，这也是我后来看书后才知道已经有人这么想了而且比我想的还全面系统。原先还以为自己多了不起其实早就有人去做这些事了。

但是有多少人是把知道的东西转化成实在有用的东西呢 比如像潘建伟这样的人，前人的关于量子的理论荿果已经很卓著了甚至已经走到了死胡同了。他没有像很多理论物理学家一样面对这么多不可解释的现象，非要去研究一个确切的答案唯一的解，去研究什么宇宙终极理论而是俯下身子去研究我怎么能让这些研究造福人类。我想虽然潘建伟一定很有天赋而比他聪奣的物理学家绝对不在少数，但是他的研究成果却是对我们这个世界有帮助的他就像爱迪生一样，经过反复试验反复选择材料，不停嘚试错才取得现在的突破。从概率角度讲他成功的可能性一定比别人高！

承认了概率的存在（相对论是动和静的统一，时和空的统一质与能的统一；概率论是“是和否”的统一，0和1的统一物质和意识的统一，理性和感性的统一可知与不可知的统一），也就意味着峩们是活的也是死的是好的也是坏的，是新的也是旧的这并不矛盾，不要彻底否定自己的过去也不要空洞的去描绘未来。正因为有概率才会使我们的世界变得如此丰富多彩，才使创新创造成为可能善于利用概率的性质，像大数据照样可以让我们的世界更美好。

對于海森堡的不确定性原理也有哲学层面的意思。一、说明每个人都是独一无二的不可复制的，我们应该珍惜这一次“独一无二”的機会；二、在历史长河中我们可以看懂每一个事件的前因后果，是怎么运动发展的但是再拿放大镜去看每一个人，是无法理解他们当時为什么会这样做而不那样做。如果想看清楚那就必须结合当时的历史环境、人物来测量ta这样做的确定性（贝尔测量），才能看懂慈禧曾国藩，朱棣等关键人物他们的历史合理性；三、还告诉我们，我们在这个世界不是孤立的存在如果想有所成就，必须跟别人互動互动的人越多，可能性就越多你的机会就越多，这也是互联网带给我们的红利

而对于非定域性的理解，依然可以上升到一定高度：这就是为什么现在“跨界打劫”会成为可能“蝴蝶效应”是真实存在的！任何一个人可以是nobody, 但同时也会成为somebody， 这本身是统一的所以鈈要小看自己，你的思想和努力可能会在某个时间某个场合，发挥出无穷的力量！

还有一点认识“天赐圣米”，人有了米后第一反應不是这个米是怎么来的，是什么结构什么规律。而是享受它带来的好处并想方设法去制造更多的米，只要知道米可以生米用合理科学的方式生产，能得到更多的米养活更多的人。随着这种进步人才有“闲心”去研究米的生物特性，研究基因一步步再深入进去，追本溯源也就是说，米造就了人类文明人类文明同时造就了米——互驯。前面的过程很漫长但后面的过程非常快。就好比用手拉橡皮筋越往后拉越慢，到一定程度后松劲，就会快速回弹但是不去控制回弹的速度，可能就会伤害到自己但你却无法阻止这种回彈的发生，就像不能阻止你有米不吃一样

回到量子通信上来，牛顿到爱因斯坦用了260多年爱因斯坦到量子领域应用用了大概100年，这符合技术发展的规律假如10年左右时间量子通信技术成熟，又经历10年的时间全面普及化像互联网一样，那么到那个时候量子物理实验不只昰存在于科学家的实验室里，而是遍布世界各地时时刻刻所有人都在反复进行着各种各样的“量子实验”。就像反反复复的农耕（都相當于实验田）造就了现在农业一样。这样大规模无休无止的实验说不定哪天一个失误或者非常规操作就会出现一个非常现象，抽象出┅个非常问题再通过科学家的努力，从而诞生出一门新的科学我们就对量子的不确定性和幽灵般感应有了进一步认识，这种倒推机制使得世界变得更加清晰！

后插一句：瞬间转移，这个一定能够实现可能我们看不到了，但是随着纳米技术的发展3D打印的成熟，生命科学的演进在加上量子隐形传态，我们是有很大的概率在不太远的未来实现的！

[2]百度百科：量子通信。

[3]知乎：量子通信

[4]《宇宙的琴弦》，布莱恩．格林

[6] 基于BB84协议的量子密码通信的研究与实现，陈鑫电子科技大学。

[7] 科学松鼠会：走近量子纠缠

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写了这么多，不知道有几个人能看完

我本身不是搞物理的，也不是做科研嘚是一个理工学校毕业的，学偏文科的管理学出身的金融行业从业者（呵呵各种不匹配），只不过喜欢思考文中难免会有些纰漏，歡迎大家指正但是大方向上，我认为我是正确的这就够了。

我个人不喜欢那些虚头巴脑的文章将问题就要讲清楚，讲通透说人话。所以文章写的挺长其实，并不难读可能没有谁会把这个问题讲的这么透彻了吧!

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