神奇的量子傳輸技術(shù)

方馨民

2016年8月，中國(guó)發(fā)射了一顆名為“墨子號(hào)”的衛(wèi)星，引起國(guó)際轟動(dòng)。有評(píng)論認(rèn)為，中國(guó)憑借這顆衛(wèi)星，不出15年將成為新一代通信的技術(shù)霸主。大家關(guān)注“墨子號(hào)”，因?yàn)樗鞘澜缟系谝活w事關(guān)通信安全的量子衛(wèi)星。下面我們就圍繞量子衛(wèi)星談?wù)勆衿娴牧孔觽鬏敿夹g(shù)。

密碼鑰匙

大家都喜歡看諜戰(zhàn)片吧？科技含量高的諜戰(zhàn)片通常有破解通信密碼的情節(jié)。破解通信密碼需要獲得密碼鑰匙。

這里說(shuō)的密碼鑰匙就是信息的加密方式，因?yàn)樗驮蹅冮_(kāi)門用的鑰匙有相似功能，所以被稱為密碼鑰匙，簡(jiǎn)稱密鑰。打個(gè)比方，甲想向乙傳輸“123”這段信息，先按照將每個(gè)數(shù)字都加3的方式向乙傳輸“456”，“123”就叫明文，“456”就叫密文，而每個(gè)數(shù)字都加3就是密碼鑰匙。發(fā)送者可用密碼鑰匙加密信息，接收者可用它來(lái)解密。

如果第三方?jīng)]有密碼鑰匙，又想獲得明文信息，就需要間諜活動(dòng)了。間諜獲得密碼鑰匙的方法很多，有時(shí)靠騙，可以從甲或乙那兒騙來(lái)密碼鑰匙；有時(shí)靠買，間諜向甲或乙許以報(bào)酬，收買密碼鑰匙有時(shí)也能成功；有時(shí)還靠偷。

無(wú)論騙還是偷，都屬于人工方法，獲得密碼鑰匙的效率比較低。現(xiàn)在間諜都愿意用計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算來(lái)獲取密碼鑰匙，就是利用計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)功能，尋找密文信息的變化規(guī)律，其中的規(guī)律就是加密方式。有了計(jì)算機(jī)這種機(jī)器助手來(lái)幫助間諜破解密碼，間諜們很囂張地宣稱：沒(méi)有破解不了的密碼鑰匙，破解密碼鑰匙只是個(gè)時(shí)間問(wèn)題！

利用計(jì)算機(jī)破解密碼終究會(huì)成功，所以說(shuō)信息安全只是某一段時(shí)間內(nèi)的相對(duì)安全，而不是永久的安全。那么，有沒(méi)有永遠(yuǎn)不會(huì)被解密的通信方式呢？有呀，它就是量子通信。

科學(xué)探索

公元前405年，雅典和斯巴達(dá)發(fā)生了戰(zhàn)爭(zhēng)。斯巴達(dá)軍隊(duì)捕獲了一名雅典送信人，從他身上除了搜出一條布滿雜亂無(wú)章的字母的腰帶之外，別無(wú)所獲。情報(bào)究竟藏在什么地方呢？斯巴達(dá)軍隊(duì)統(tǒng)帥萊桑德無(wú)意中把腰帶呈螺旋形纏繞在手中的劍鞘上時(shí)，奇跡出現(xiàn)了，原來(lái)腰帶上那些雜亂無(wú)章的字母，竟組成了一段表意清楚的文字，密碼得以破解！腰帶情報(bào)，就是世界上最早的密碼情報(bào)，具體運(yùn)用方法是，通信雙方首先約定密碼解讀規(guī)則，然后通信一方將腰帶纏繞在約定長(zhǎng)度和粗細(xì)的木棍上書寫？收信一方接到后，如不把腰帶纏繞在同樣長(zhǎng)度和粗細(xì)的木棍上，就只能看到一些毫無(wú)規(guī)則的字母。

趣味鏈接

有人通過(guò)破解密碼顯示才能，有人通過(guò)設(shè)計(jì)密碼顯示才能。1977年，數(shù)學(xué)家李維斯特給出了一個(gè)129位數(shù)，要求把這個(gè)數(shù)分解成兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積，得到這個(gè)結(jié)果，就會(huì)發(fā)現(xiàn)隱藏的信息。其實(shí)這個(gè)129位數(shù)就是密文，分解質(zhì)因數(shù)就是密碼鑰匙。李維斯特信心滿滿地宣稱，算出他的密碼鑰匙，需要好多億年。誰(shuí)知17年之后，600名密碼破解愛(ài)好者動(dòng)用了1600臺(tái)計(jì)算機(jī)，只用了6個(gè)月的時(shí)間就把李維斯特的密碼給破解了，獲得的信息是“挑食的禿鷹”。密碼雖然被破解了，但人們還是很佩服李維斯特：他太厲害了，得600人聯(lián)手，用1600臺(tái)計(jì)算機(jī)，花了6個(gè)月才打敗他！

量子通信是什么

傳統(tǒng)的通信方式都需要介質(zhì)，比如寫信你得用信紙，打電話的信號(hào)得靠電磁波來(lái)傳輸。竊密者通常會(huì)侵入介質(zhì)獲得通信信息，在掌握了密文信息后，再通過(guò)計(jì)算獲取密碼鑰匙，將密文破解成明文。凡是通過(guò)介質(zhì)傳送信息，必定無(wú)密可言，這種破解密碼的方式通常被稱為“截獲”。

量子通信是不需要傳輸介質(zhì)的，這是為什么呢？

科學(xué)家在1900年發(fā)現(xiàn)了量子這種微粒，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了量子糾纏現(xiàn)象。量子糾纏是這樣的：一對(duì)量子甲和乙，甲攜帶的信息，可以瞬間在乙身上體現(xiàn)出來(lái)！不架天線，不鋪電纜，信息可以在量子之間無(wú)形無(wú)影地傳輸，這事跟神話中的心靈感應(yīng)似乎是一個(gè)套路呀！

是的，量子通信可以看作是神奇的心理感應(yīng)術(shù)，信息的傳輸端和接收端之間不用連接實(shí)線，也不需要電磁波，信息來(lái)去很神奇。量子糾纏現(xiàn)象曾經(jīng)被愛(ài)因斯坦淺顯地描述為：兩個(gè)物體之間，無(wú)論距離多遠(yuǎn)，都存在相互感應(yīng)信息的天然魔力。

量子通信非常神奇，且非常安全，這又是為什么呢？

量子通信的一個(gè)特點(diǎn)就是加密速度極快，它可以給數(shù)之不盡的每一個(gè)信息片段加一個(gè)獨(dú)立的密碼鑰匙。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，如果把一次通話分割成100億個(gè)信息片段來(lái)傳輸，則量子通信可以瞬間給這100億個(gè)信息片段各加各的密碼鑰匙，這種加密方式被形象地稱為“一次一密”。你可以想象，在通信過(guò)程中，信息源源不斷，加密碼鑰匙源源不斷，千變?nèi)f化，間諜要破解這么多的密碼鑰匙，簡(jiǎn)直是比登天還難。一次一密帶來(lái)了天量密碼鑰匙，讓密碼間諜從此失去飯碗！

有人或許會(huì)說(shuō)，讓計(jì)算機(jī)出場(chǎng)幫著計(jì)算嘛！

這主意不錯(cuò)，不過(guò)告訴你吧，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)雖然有超強(qiáng)的計(jì)算能力，但是它們面對(duì)無(wú)窮無(wú)盡的量子通信密碼也是束手無(wú)策，算不盡呀！如果硬要一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)破解量子通信密碼，從理論上說(shuō)也是可以的，但時(shí)間卻需要數(shù)億年，甚至是無(wú)限久。呵呵，計(jì)算機(jī)破解量子通信密碼，時(shí)間是無(wú)限久，其實(shí)就是破解不了的意思呀！誰(shuí)等密碼能等上數(shù)億年呢？

還有，量子通信不是不需要傳輸介質(zhì)嘛，所以，間諜想在半路上截獲信息的想法也破滅。

有人或許又要問(wèn)了：你在半路上截不到信息，不會(huì)直接從傳送端和接收端的量子上獲取信息嗎？

嗯，這想法似乎不錯(cuò)，但做法也行不通呀，因?yàn)榱孔舆€有一個(gè)特點(diǎn)：只要有人干擾它，想從它身上獲得信息，它立馬就改變?cè)瓉?lái)的信息狀態(tài)，把真實(shí)信息提前毀掉，讓間諜一無(wú)所獲。量子這種干擾即毀信息的特點(diǎn)，封死了間諜想從信息發(fā)送端和接收端獲取信息的想法。如果有的間諜“不知趣”，非得要到量子那兒獲取信息，那么信息接收方和信息發(fā)送方就可以從量子自毀信息的頻率，判斷是不是有人正在搞竊密，讓間諜行為立馬現(xiàn)形。這么說(shuō)來(lái)，身負(fù)通信使命的量子，還是通信警察呀，只要間諜一來(lái)，它立即報(bào)警，讓間諜無(wú)處遁形。

哎，在量子通信時(shí)代，間諜要么選擇遠(yuǎn)離量子通信網(wǎng)絡(luò)，要么掩耳盜鈴卻被人捉，間諜成了超高危無(wú)成果的職業(yè)，沒(méi)有人能做得來(lái)了。

量子通信先靠一次一密的加密方式，把間諜淹沒(méi)在密碼鑰匙的汪洋大海里，還會(huì)用自毀信息的方式報(bào)警，讓仍舊執(zhí)迷于截獲信息的間諜無(wú)處藏身，基于這兩點(diǎn)，量子通信就成了絕對(duì)安全的通訊方式。

科學(xué)探索

世界是運(yùn)動(dòng)的，但是宏觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并不相同。牛頓提出的物理學(xué)說(shuō)解答了宏觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但牛頓的學(xué)說(shuō)一拿到微觀世界來(lái)解答微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就會(huì)“失效”。這種失效促使科學(xué)家努力尋找微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，于是量子力學(xué)就產(chǎn)生了，量子力學(xué)是一門年輕的科學(xué)，它總共才有一百來(lái)年的歷史。

英國(guó)有所謂的物理學(xué)家提出，人的靈魂是由大腦中的量子物質(zhì)形成的，當(dāng)人死亡之后，大腦微管中的量子信息會(huì)離開(kāi)身體進(jìn)入到宇宙，如果能阻止這些量子向宇宙中散失，就可以阻止人的死亡，如果能把散失在宇宙中的大腦量子收回來(lái)，人就能死而復(fù)生。量子科學(xué)有這么玄乎嗎？人可以不死，可以死而復(fù)生，這類“量子理論”誰(shuí)敢信呀！

為什么發(fā)射量子衛(wèi)星

既然量子之間可以傳輸無(wú)限加密的第三者不可破解的信息，那就在地球上建設(shè)量子通信網(wǎng)絡(luò)就行了，為什么還要發(fā)射量子衛(wèi)星呢？

這得從目前量子信息傳輸?shù)木嚯x來(lái)解釋這個(gè)問(wèn)題。

甲量子向乙量子傳送信息，理論上它們之間心靈感應(yīng)的距離可以無(wú)限遠(yuǎn)，無(wú)論間隔多遠(yuǎn)，信息都能由甲傳輸給乙的。但事實(shí)上，量子在自由環(huán)境里（即地球表面環(huán)境），能量會(huì)衰減，衰減雖然不影響信息傳遞，但影響我們?nèi)祟悓?duì)信息的辨別，你想想，甲雖然最終把信息傳遞給了乙，但信號(hào)太弱，弱到目前我們無(wú)法辨識(shí)，不也是無(wú)用嘛。

量子之間信息傳輸距離是無(wú)限的，多遠(yuǎn)都能傳到。但量子之間保持信息可辨認(rèn)的傳輸距離卻是有限的，太遠(yuǎn)了，它們之間有“對(duì)話”，但咱們卻“聽(tīng)”不清楚了。

1977年，科學(xué)家利用量子傳送信息，結(jié)果只讓信息傳送了數(shù)米遠(yuǎn)的距離。這個(gè)距離雖然很近，但是驗(yàn)證了量子傳輸信息的可能性。

隨后，量子通信在“能”的基礎(chǔ)上，不斷進(jìn)步，傳輸距離從最初的數(shù)米，發(fā)展到了可以傳輸16千米了：2010年6月6日，中國(guó)量子通信實(shí)驗(yàn)小組將信息傳輸了16千米的距離，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)量子通信的新記錄。

量子通信可傳輸16千米，但仍舊不能滿足實(shí)用要求。于是在16千米的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們繼續(xù)努力，要讓量子通信的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，可這個(gè)期望后來(lái)“破滅”了，因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)在自由環(huán)境中，量子通信距離存在一個(gè)極限，大約是100千米。100千米的傳輸距離雖然具有實(shí)用價(jià)值，但是要建設(shè)量子通信網(wǎng)絡(luò)，需要在地面上每隔100千米建設(shè)一個(gè)傳輸基站。眾多基站，會(huì)降低量子通訊的效率和安全性，因?yàn)樾盘?hào)需要不斷在明文和密文之間多次轉(zhuǎn)換接力，每個(gè)基站容易成為信息安全漏洞，所以大量建設(shè)基站支持量子通信的方案被認(rèn)為不可行。

基站方案被否決之后，科學(xué)家就把建設(shè)量子通信網(wǎng)絡(luò)的厚望寄托于量子通信衛(wèi)星身上。量子衛(wèi)星可以把量子信息傳輸?shù)木嚯x擴(kuò)大到數(shù)千千米，三顆量子衛(wèi)星就能滿足在全球建立信號(hào)優(yōu)良、安全無(wú)憂的量子信息通信網(wǎng)絡(luò)，讓信息高速安全地直達(dá)任意地方，所以說(shuō)發(fā)射量子衛(wèi)星是量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，誰(shuí)擁有了量子衛(wèi)星傳輸技術(shù)，誰(shuí)就掌握了全球量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主動(dòng)權(quán)。

中國(guó)發(fā)射的“墨子號(hào)”，是全世界發(fā)射的第一顆量子通信衛(wèi)星，標(biāo)志著中國(guó)將成為量子通信界的老大，在以后量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)程中，中國(guó)的話語(yǔ)權(quán)和支配權(quán)都將是至高無(wú)上的。別的國(guó)家見(jiàn)咱們有了量子衛(wèi)星，都急紅眼了！

全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星為什么命名為“墨子號(hào)”。墨子是我國(guó)古代偉大的科學(xué)家，被稱為“科圣”。他最早提出光線沿直線傳播的理論，設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。用中國(guó)古代偉大科學(xué)家的名字命名量子衛(wèi)星，為的是提升我們的文化自信。

主持建造“墨子號(hào)”的潘建偉教授是我國(guó)量子科學(xué)的領(lǐng)頭人，1996年他到奧地利求學(xué)量子科學(xué)，導(dǎo)師問(wèn)他的夢(mèng)想是什么，他說(shuō)要在中國(guó)建世界一流的量子物理實(shí)驗(yàn)室。僅過(guò)了一年，他就與同事合作發(fā)表論文，宣布在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸，這被公認(rèn)為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開(kāi)山之作，《科學(xué)》雜志將其列為年度全球十大科技進(jìn)展。這一年，潘建偉僅27歲。后來(lái)，潘建偉回國(guó)開(kāi)展量子科學(xué)研究，結(jié)果理解這門科學(xué)的人太少，什么隱形傳輸，什么大變活人的，他的研究項(xiàng)目被稱為偽科學(xué)，本人則被誤解為騙子。今天這個(gè)“騙子”終于可以向所有人說(shuō)：看，一切都是真的！

量子傳輸?shù)牟粌H僅是信息

目前這個(gè)階段，中國(guó)發(fā)射的量子衛(wèi)星，主要擔(dān)負(fù)安全傳輸信息的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。將來(lái)，量子衛(wèi)星的任務(wù)不僅僅是傳輸信息，很有可能還會(huì)傳輸人。

什么？傳輸人！

是的，就是傳輸人。

前面我們說(shuō)過(guò)，量子是微粒?？梢园盐矬w理解成是由量子組成的，也就是說(shuō)物體可以分解成一個(gè)一個(gè)的量子，量子不但可以瞬間傳輸信息，而且可以瞬間傳輸量子。如果用量子傳輸信息，就叫量子通信。如果用量子傳輸量子，那么傳輸人就成為一種可能，這在魔術(shù)里叫大變活人吧。

我們用量子傳輸量子，就可以將魔術(shù)變成真實(shí)的科技項(xiàng)目?？茖W(xué)家在用量子傳輸信息的基礎(chǔ)上，還開(kāi)始研究如何把量子傳輸信息變成量子傳輸實(shí)物，這項(xiàng)研究被稱為隱形傳輸。

隱形傳輸技術(shù)在科幻電影《星際旅行》中有體現(xiàn)：宇航員在特殊裝置中平靜地說(shuō)一句：“發(fā)送我吧，蘇格蘭人！”他瞬間就被轉(zhuǎn)移到外星球了。將來(lái)，量子機(jī)器很可能把科幻電影中的神奇情景變成現(xiàn)實(shí)，依靠量子傳輸實(shí)物的功能將我們發(fā)射到想去的星球上去。

盡管想要達(dá)到“發(fā)送我吧”這樣的結(jié)果，我們還得等上一些年頭，但量子隱形傳輸技術(shù)，終將帶我們走進(jìn)不可思議的量子傳輸情景中，很可能讓我們瞬間到達(dá)我們想到達(dá)的任意地方。量子傳輸或許將是星際旅行的終極大法——因?yàn)?，身體是由量子組成的，量子能夠被瞬間傳輸，所以我們的身體，我們的生命也就可能被瞬間傳輸。

天呀，原來(lái)大變活人不只是魔術(shù)！

科學(xué)探索

量子有兩個(gè)基本原理：第一個(gè)是量子糾纏，類似孫悟空和他的分身，二者無(wú)論距離多遠(yuǎn)都心有靈犀。當(dāng)兩個(gè)微觀粒子處于糾纏狀態(tài)時(shí)，不論分離多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個(gè)會(huì)立刻感受到，并做相應(yīng)改變，這個(gè)原理可用來(lái)傳輸信息。第二個(gè)是量子疊加，就是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以以不同形態(tài)在不同的位置出現(xiàn)，比如組成一只貓的量子系統(tǒng)，可以在A地表現(xiàn)出貓已死的狀態(tài)，又可以同時(shí)在B地呈現(xiàn)貓活著的狀態(tài)——這死而復(fù)生的原理，也是大變活人的依據(jù)。

量子大腦就是當(dāng)今正在研制中的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的“算法”與人腦的運(yùn)行方式有許多相似之處，甚至有些地方完全相同。因此量子計(jì)算機(jī)將會(huì)是與人腦非常接近或是完美一致的人工智能機(jī)器。有了量子計(jì)算機(jī)之后，機(jī)器與生物之間的界限將變得非常模糊，你的朋友如果是個(gè)量子機(jī)器人，那絕對(duì)是稀松平常的事。到時(shí)候機(jī)器人犯罪也會(huì)與真人一樣要被收監(jiān)判罪！

（編輯 孫世奇）