[科普中國]-海水量子通信成功：到底如何實(shí)現(xiàn)

近日，上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊成功進(jìn)行了首個海水量子通信實(shí)驗(yàn)，觀察到了光子極化量子態(tài)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(wǎng)絡(luò)上邁出重要一步。

海水量子通信（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

量子通信是指，利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信具有高效率和絕對安全等特點(diǎn)，是目前國際量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。

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(shí)證說起。

量子通信的起源

由于人們對糾纏態(tài)粒子之間的相互影響一直有所懷疑，幾十年來，物理學(xué)家一直試圖驗(yàn)證這種神奇特性是否真實(shí)。

糾纏在一起的兩幅圖像中存在隨機(jī)波動（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

1982年，法國物理學(xué)家艾倫·愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了微觀粒子“量子糾纏”（quantum entanglement）的現(xiàn)象確實(shí)存在，這一結(jié)論對西方科學(xué)的主流世界觀產(chǎn)生了重大的沖擊。

在量子糾纏理論的基礎(chǔ)上，1993年，美國科學(xué)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(tài)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(shí)現(xiàn)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(fā)揮其真正的威力。

量子通信（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

經(jīng)過二十多年的發(fā)展，量子通信這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展，主要涉及的領(lǐng)域包括：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)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(tài)隱形傳輸。

量子密鑰分配

量子密鑰分配不是用于傳送保密內(nèi)容，而是在于建立和傳輸密碼本，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(wǎng)絡(luò)）

1984年，美國的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84協(xié)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(tài)進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)對密鑰的產(chǎn)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(diǎn)對點(diǎn)方式的安全經(jīng)典通信便得以實(shí)現(xiàn)。量子通信的安全性保障了密鑰的安全性，從而保證加密后的信息是安全的。

量子密鑰分配（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

**量子密鑰分配還有一個好處——不需要大面積地改造現(xiàn)有的通信設(shè)備和線路。**量子密鑰分配突破了傳統(tǒng)加密方法的束縛，以不可復(fù)制的量子狀態(tài)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，都會改變量子狀態(tài)。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(tài)的改變，知道密鑰曾被截取過。

最重要的是，與經(jīng)典的公鑰密碼體系不同，即使實(shí)用的量子計算機(jī)出現(xiàn)甚至得到普及，量子密鑰分配仍是安全的。

量子態(tài)隱形傳輸

量子態(tài)隱形傳輸一直是學(xué)術(shù)界和公眾的關(guān)注焦點(diǎn)。

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

量子態(tài)隱形傳輸（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

比如說，保偏光纖對于光子的量子偏振態(tài)而言就是一種量子通道。但在量子態(tài)隱形傳輸態(tài)中，量子通道的角色是由雙方共享的量子糾纏態(tài)所擔(dān)任的。

接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對這個量子態(tài)一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態(tài)上。

當(dāng)隱形傳輸?shù)牧孔討B(tài)是一個糾纏態(tài)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(lián)系的粒子糾纏起來，在它們之間建立量子關(guān)聯(lián)。

量子糾纏交換（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

隱形傳態(tài)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(yuǎn)的地方，這看起來很像科幻電影中的瞬時傳送，或者電子游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(shù)成果轉(zhuǎn)化團(tuán)隊的不懈努力，我國的量子通信產(chǎn)業(yè)必將取得飛速發(fā)展，并在世界量子通信產(chǎn)業(yè)版圖上占據(jù)重要位置。