世界首個海水量子通信實驗成功，量子通信如何實現？

近日，上海交通大學金賢敏團隊成功進行了首個海水量子通信實驗，觀察到了光子極化量子態和量子糾纏可在海水中保持量子特性，這是國際上首次通過實驗驗證了水下量子通信的可行性，向未來建立水下及空海一體量子通信網路上邁出重要一步。

海水量子通信（圖片來自網路）

量子通信是指，利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和資訊理論相結合的新的研究領域。量子通信具有高效率和絕對安全等特點，是目前國際量子物理和信息科學的研究熱點。

追溯量子通信的起源，還得從愛因斯坦的「幽靈」——量子糾纏的實證說起。

量子通信的起源

由於人們對糾纏態粒子之間的相互影響一直有所懷疑，幾十年來，物理學家一直試圖驗證這種神奇特性是否真實。

糾纏在一起的兩幅圖像中存在隨機波動（圖片來自網路）

1982年，法國物理學家艾倫·愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子「量子糾纏」（quantum entanglement）的現象確實存在，這一結論對西方科學的主流世界觀產生了重大的衝擊。

在量子糾纏理論的基礎上，1993年，美國科學家C.H.Bennett提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。量子通信是由量子態攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通信過程。量子通信概念的提出，使愛因斯坦的「幽靈（Spooky）」 ——量子糾纏效益開始真正發揮其真正的威力。

量子通信（圖片來自網路）

經過二十多年的發展，量子通信這門學科已逐步從理論走向實驗，並向實用化發展，主要涉及的領域包括：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。

量子通信的基本思想主要包括兩部分：一為量子密鑰分配，二為量子態隱形傳輸。

量子密鑰分配

量子密鑰分配不是用於傳送保密內容，而是在於建立和傳輸密碼本，即在保密通信雙方分配密鑰，俗稱量子密碼通信。

量子密碼通信（圖片來自網路）

1984年，美國的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84協議，即用量子比特作為信息載體，利用光的偏振特性對量子態進行編碼，實現對密鑰的產生和安全分配。

通過量子密鑰分配可以對安全的通信密碼加以建立，在一次一次的加密方式下，點對點方式的安全經典通信便得以實現。量子通信的安全性保障了密鑰的安全性，從而保證加密後的信息是安全的。

量子密鑰分配（圖片來自網路）

量子密鑰分配還有一個好處——不需要大面積地改造現有的通信設備和線路。量子密鑰分配突破了傳統加密方法的束縛，以不可複製的量子狀態作為密鑰，具有理論上的「無條件安全性」。

任何截獲或測試量子密鑰的操作，都會改變數子狀態。這樣，截獲者得到的只是無意義的信息，而信息的合法接收者也可以從量子態的改變，知道密鑰曾被截取過。

最重要的是，與經典的公鑰密碼體系不同，即使實用的量子計算機出現甚至得到普及，量子密鑰分配仍是安全的。

量子態隱形傳輸

量子態隱形傳輸一直是學術界和公眾的關注焦點。

其基本思想是：將原物的信息分成經典信息和量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量中未提取的其餘信息；而量子通道是指可以保持量子態的量子特性的傳輸通道。

量子態隱形傳輸（圖片來自網路）

比如說，保偏光纖對於光子的量子偏振態而言就是一種量子通道。但在量子態隱形傳輸態中，量子通道的角色是由雙方共享的量子糾纏態所擔任的。

接收者在獲得這兩種信息後，就可以製備出原物量子態的完全複製品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處於原物的量子態上。

當隱形傳輸的量子態是一個糾纏態的一部分時，隱形傳輸就變成了量子糾纏交換。利用糾纏交換，可以將兩個原本毫無聯繫的粒子糾纏起來，在它們之間建立量子關聯。

量子糾纏交換（圖片來自網路）

隱形傳態和糾纏交換可以把物體的量子信息在瞬間精確無誤地傳送到遙遠的地方，這看起來很像科幻電影中的瞬時傳送，或者電子遊戲中的傳送門之類的神奇功能。

未來幾年，我們相信通過量子通信技術成果轉化團隊的不懈努力，我國的量子通信產業必將取得飛速發展，並在世界量子通信產業版圖上佔據重要位置。

出品：科普中國

製作：山夕團隊 唐媛

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

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