量子通信是個什麼高大上的玩意兒？令人期待的未來世界

前文介紹了量子密碼通信，這裡再介紹另一種量子通信方式，也是「墨子」號所使用的方式。

量子疊加態是量子物理中最神秘也是最基本的特性

，而量子糾纏是多粒子的一種疊加態。比如說同時產生的一堆雙粒子，粒子A可以處於某個物理量的疊加態，另一個粒子B同時也可以處於某個物理量的疊加態。當這兩個粒子發生所謂的糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，就稱之為糾纏態。奇怪的是，粒子的糾纏態是沒有距離限制的，無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處於0態時，B粒子必定處於1態；反之，當A粒子處於1態時，B粒子必定處於0態。影響雙方的量子糾纏是跨越時空瞬間產生的，愛因斯坦認為這違反了他的相對論，因此提出強烈質疑，並稱其為「鬼魅的超距作用」(spooky action at a distance)。

量子糾纏示意圖（來源：網路）

為了招安這個叛逆，科學家提出了「隱變數理論」來解釋這種超距相互作用，然而，不幸的是後來越來越多的實驗都力挺量子力學，反而把「朝廷」頒布的「隱變數理論」詔書宣判了死刑。從此，量子力學與愛因斯坦改良後的經典力學分庭抗禮。

我們都知道量子力學為現代計算機的發展發揮了巨大作用，我們的晶元越來越小，速度越來越快，但曾經神奇的「摩爾定律」似乎也遇到了瓶頸。這個技術說到底還是基於經典力學的，二進位碼0和1是通過高低電平控制半導體的通路與斷路。隨著量子力學體系的完善，量子技術的應用就成為人類的下一目標，量子信息學就此誕生。在量子信息學中，量子糾纏就不僅僅是一個基礎理論了，而是作為量子信息科技的核心。

在量子信息範疇，就要求真正地使用量子技術，我們把利用量子糾纏態的量子通信就是叫量子隱形傳態（quantum teleportation）。通俗地講就是使用量子糾纏的原理和量子技術傳送量子的狀態，這裡的「隱形」也只是一個比喻。所要傳送的量子的狀態就是量子比特，一個量子比特就是0和1的疊加態。但是需要指出的是，經典比特的0和1是兩個值，而量子比特的0和1可以看作兩個向量，一個量子比特可以是0和1這兩個向量的所有可能的組合（好比是兩個向量之間可以有各種角度），因此理論上講一個量子比特的值有無限個。

那麼量子隱形傳態實現的原理又是什麼呢？

第一步，製備。製備一個糾纏粒子對。將1個粒子發送到A點，另一個粒子發送至B點。

第二步，測量。在A點，另一個粒子3攜帶一個想要傳輸的量子比特Q。於是A點的粒子1和B點的粒子2對與粒子3一起會形成一個總的糾纏態。這時候如果在A點同時測量粒子1和粒子3，得到一個測量結果。如此以來，這個測量會使粒子1和粒子2的糾纏態坍縮掉，粒子1會呈現0或1的狀態，相應的粒子二就會呈現1或0的狀態。但同時粒子1和和粒子3卻糾纏到了一起。

第三步，通知。A點的人利用經典通訊方式，電話、電報、簡訊、微信都可以，把自己的測量結果告訴B點的人。

第四步，探知。B點的人收到A點的測量結果後，就知道了B點的粒子2處於哪個態。只要對粒子2稍做一個簡單的操作，它就會變成粒子3在測量前的狀態，如此，也就是說，B點的人在沒有見到粒子3的情況下，就可以獲得粒子3所攜帶的量子比特。

量子隱形傳態示意圖（來源：網路）

就這樣，通過量子隱形傳態的方法，即通過量子糾纏把一個量子比特無損地從一個地點傳到另一個地點。需要注意的是，其中第三步仍然需要依靠經典信息傳輸而且不可忽略，而這種傳輸方式顯然是無法超過光速的，因此量子隱形傳態的信息傳輸速度也沒有違反相對論，也沒有違反因果律。

進行量子隱形傳態試驗，這就是「墨子」號要做的事情。「墨子」號會在空中向兩個地面接收站分發一個糾纏光子對，然後讓兩地同時進行測量，這樣就解決了高速傳遞密鑰的問題，利用量子糾纏來實現量子比特的傳輸，這才是真正意義上的量子通信，也有望實現真正「不可破解」的保密通信。此外，考慮到量子計算需要直接處理量子比特，於是可以直接傳送量子比特的量子隱形傳態毫無疑問將成為未來首選的量子通信方式。未來量子互聯網將是「一步登天」的，即由地面量子通信網路、量子計算機終端、量子通信衛星和量子隱形傳態技術一同構成。未來的量子信息時代妙不可言！

中國量子通信網路發展路徑（來源：新華網）

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