虐狗的情人节终于过去了，吃够了“狗粮”后，是时候来补充点“精神食粮”了，今天，就跟着小编，开启一段量子通信之旅。
抛弃宏观世界的一切“常识”，挣脱由传统经验构筑的枷锁，保持“脑洞大开”的状态，文科生也要“咬牙坚持”，相信我，这一次你会发现量子通信，原来如此！
在推开神奇量子世界的大门前，你需要轻装上阵：抛弃掉你在宏观世界所获得的一切“常识”，挣脱掉那些由传统经验构筑的枷锁，保持“脑洞大开”的状态，并随时准备接受各种“这怎么可能？”
然后，开始吧。
波粒二象性——看与不看很重要
量子，是能量的最小单位。微观粒子都是量子，我们在初中化学书上接触过的原子、电子和光子，均属量子大家庭。可以说，整个世界，都是由量子组成的。不过，由于量子太小了，对绝大多数人来说，它是“最熟悉的陌生人”。
微观粒子，有个神奇的属性，叫作波粒二象性。
双缝干涉实验证实了这一点。想象一下，你手中有一台电子发射器，面前摆着一个开了两条缝隙的隔板，隔板后放置了一块屏幕。当你打出的电子足够多，屏幕上应该出现什么景象？
如果电子是粒子，那么屏幕上应该出现两条条纹——电子随机选择穿过两条缝隙中的哪一条，并在屏幕上留下痕迹。然而，现实情况却是，屏幕上留下了明暗相间的多条“干涉条纹”。研究这些条纹的分布后，人们惊讶地发现，光子似乎在穿过缝隙时，具有某种“波”的特性。也就是说，它并非在两条缝隙中选择了一条穿过，而是以“波”的形式，同时穿过了两条缝隙，并且自己与自己发生了干涉——如果一条波的波峰恰好遇到另一条波的波谷，亮度刚好抵消掉，形成了屏幕上的“暗处”。
但是，电子又明明白白展现出粒子的特性。当我们逐个发射电子时，你就会发现，电子穿过隔板缝隙后，会在感应屏上的某个位置打出一个亮点。只是它的分布符合干涉条纹的分布规律：落在亮区的概率高，落在暗区的概率低。
为什么？科学家给出了一个大胆的解释：在撞上感应屏之前，无人干扰，电子确实以波的方式，穿过了两道狭缝；但一旦它撞上了感应屏，波函数立刻坍缩成为一个点。
感应屏在这里，扮演了“观测者”的角色。换个说法——电子呈现出什么状态，取决于“观测”。
观测很重要吗？左看右看上看下看，那个女孩都不简单啊？可是在微观的粒子世界，任何一种介入，都会对测量对象产生致命干扰。你永远无法得到一个粒子的全部信息——当你知道了它的位置，它的速度也因为你的“知道”而发生了改变——这也是鼎鼎有名的“不确定性”原理。
量子纠缠——逆天的心灵感应
带着一点朦胧的感悟，我们继续上路。
叠加态，如同孙悟空的分身术。因为有着72分身，孙悟空可以同时既在此地，又在彼方。但是，如果唐僧想看清孙悟空究竟在哪里，这调皮美猴王的所有分身都会随机消失，只留下一个。
讲到这里，量子纠缠的概念就该登场了：相互独立的粒子可以完全“纠缠”在一起，对其中一个粒子进行观测可以即时影响到其它粒子，无论它们之间的距离有多远。
著名科学家爱因斯坦对此无法接受，称其为“幽灵般的超距作用”。
要继续开始想象了：现在有一个大粒子衰变成了两个小粒子，它们俩关系不和，朝着相反的方向飞开去。假设这种粒子有两种可能的自旋——“左旋”和“右旋”。根据总体守恒，如果粒子A为左旋，那么B一定为右旋；反之亦然。
可是，在我们没有对A和B进行观测之前，它们的状态都是不确定的，每个粒子都处于一种左/右可能性的叠加态。
接下来，出现的就是连爱因斯坦都无法理解的一幕了——一旦我们观测粒子A，它的波函数瞬间坍缩，并随机选择了一种状态——比如说“左旋”；此时，尽管已经和A相距遥远，粒子B的状态也就瞬间确定了——它是“右旋”。
就算这两粒子分别处于宇宙的两端，它们同样可以保持这样可怕的“默契”——一旦你随机选择了左，那我一定会选择右。任何所谓的心灵感应，都比不上“量子纠缠”来得深刻。
量子隐形传态——一场“神奇变变变
终于，我们接下来要进入核心景点了——如果，我要在两个处于纠缠态的粒子之间通信呢？
此时，我们制备出了处于量子纠缠状态的光子α和光子β，并且把α给了身在北京的甲，把β给了身在上海的乙。我们实际上想传递的东西，是光子γ。
首先，我们让光子α和光子γ产生干涉，并记录下干涉结果；然后，甲需要用经典通信的方式，比如打电话、发短信、传电子邮件等，告诉乙这一结果。
拿到结果之后，我们就可以期待一场“光子变身秀”了。乙会操作一种叫作波片的东西，把β变成γ。
什么？这是什么意思？不要慌，可以这么理解：α和β处于纠缠态；所以当α和γ发生干涉时，γ和β也就自动具有某种关系了；甲告诉乙α和γ的干涉结果，其实是告诉乙，β和γ应该具有怎样的关系。于是，乙通过“反推”，就能将β变成γ。
请注意，量子隐形传态，并没有真正传递出去了什么东西，而是一场“神奇变变变”。在这场“通信”中，α和β都是为了主角γ而牺牲的“炮灰”。最终目的，是让β成为γ，让乙能够获得有关γ的一些信息。
但是，目前能用量子隐形传态传输的东西相当有限。获评2015年年度国际物理学领域十项重大突破之首的，是潘建伟和陆朝阳等人的科研项目“多自由度量子隐形传态”。这项工作的突破性，在于它首次传送了光子的两个性质——“自旋”和“轨道角动量”。
真正的应用，确实任重道远。
量子密钥分发—不可窃听，绝对安全
不过，量子通信技术实用化的景点大门已经打开，率先走进去的，叫作“量子保密通信”。它与经典通信最为不同的地方在于，用量子的方式来传送密钥。
信息科学方面有信息安全的瓶颈：用芯片可能有后门，用光纤可能遭到无感窃听；就算我们把信息进行加密，但随着信息技术的发展，传统上认为难以破解的东西，可能成了窗户纸，一捅就破。
不过，如果我们用量子的方式传送密码，就不存在这个问题了。
中科大量子信息实验室博士赵义傅在接受媒体采访时介绍，量子密钥分配是把一个信息编码在一个光子上，一个光子有着不同的量子态，代表着0和1；把光子通过光纤发射过去，接收方接到密钥后进行解码。
前面我们已经说过，一个量子的状态是未知的，根据“不确定性原理”，我们无法获得一个量子的所有状态信息，因此，量子也就无法被准确测量和精确复制；而量子不可能继续分割，窃听者也就不可能把它分成两半，一半拿走，一半传给运输方；更绝的是，在这一传输过程中，一旦有人窃听，微小的光子立刻就能做出反应——因为在量子尺度上，窃听者的存在感实在太强了！
所以，量子保密通信的安全性，能够得到极大保证。如今，量子保密通信甚至被资本市场称为“下一个万亿蓝海”。
现在，我们已经在量子通信世界游览了四个景点，鉴于脑细胞死伤无数，这段旅程也就告一段落。
原文发布时间为：2017-12-11
本文作者：陶卿
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