量子通信如何做到“絕對安全”？

出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學(xué)物理系）

監(jiān)制：中國科普博覽

最近，《哆啦A夢》又有新電影上映了，勾起了很多人的童年回憶。還記得，小時候這個電視劇里最吸引人的神奇道具之一，就是可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸真實物體的“任意門”。

《哆啦A夢》里的任意門

（圖片來源：Doraemon wiki）

雖然人們至今還無法實現(xiàn)真實物體的遠(yuǎn)距離傳輸，但是科學(xué)家們受到科幻作品的啟發(fā)，已經(jīng)實現(xiàn)了微觀粒子量子態(tài)的遠(yuǎn)距離傳輸，這也正是今天我們要分享的“量子隱形傳態(tài)”。

量子隱形傳態(tài)中的“隱形傳態(tài)”，就是指不改變某個微觀粒子的位置，而將微觀粒子的量子態(tài)信息直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，從而避免了微觀粒子本身的傳送過程。

因此，量子隱形傳態(tài)作為一種全新的信息傳輸方案，可以避免微觀粒子的傳送過程中容易被不法分子竊聽的問題，從而保證了信息傳送的絕對安全性。

量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）概念方案圖

（圖片來源：Wikipedia）

在實際應(yīng)用中，量子隱形傳態(tài)方案已經(jīng)實現(xiàn)了上千公里的超遠(yuǎn)距離傳遞，并且具有較高的信息傳輸規(guī)模，從而成為了實現(xiàn)絕對安全的量子保密信息傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。

那么，科學(xué)家們是如何提出如此奇妙的量子隱形傳態(tài)方案呢？要想實現(xiàn)該方案，我們需要做哪些技術(shù)儲備呢？對于量子隱形傳態(tài)方案，科學(xué)家們目前又取得了哪些研究突破和具體應(yīng)用了呢？

量子隱形傳態(tài)的基礎(chǔ)——奇妙的“量子糾纏”

其實，要想將某個微觀粒子的量子態(tài)，通過量子隱形傳態(tài)方案傳輸?shù)竭h(yuǎn)處，并不能像科幻作品中那樣，說一聲“變”就能實現(xiàn)。而是需要消息的發(fā)送方和接收方，提前擁有一對特殊的“電報機”才可以實現(xiàn)。在量子隱形傳態(tài)方案中，通常采用一對處于量子糾纏狀態(tài)的量子比特來充當(dāng)這對“電報機”。

生活中的電報機

（圖片來源：veer圖庫）

因此，要想了解量子隱形傳態(tài)方案，我們就必須要先了解一下什么是量子糾纏。

在奇妙的量子世界中，量子比特就是我們所能調(diào)控和運算的最小信息單元。而量子比特之間會發(fā)生奇妙的量子糾纏，仿佛“心靈感應(yīng)”一般，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的相互作用。

打個比方，一對處于量子糾纏狀態(tài)的量子比特就像一副手套一樣，它們之間無論相距多遠(yuǎn)，總是彼此存在特定的關(guān)聯(lián)。

假如其中一只手套被遺忘在家里，而另外一只手套仍然在我們隨身的包中。在我們未觀察到包中的手套狀態(tài)之前，我們并不知道這兩只手套各自的狀態(tài)，只能說它們處于不確定的“左/右”糾纏狀態(tài)。

一旦我們觀察到包中的手套處于左手的確定狀態(tài)時，我們就可以立即推斷出，遺忘在家里的手套是處于右手的確定狀態(tài)。也就是說，雖然我們沒有拿到另外一只手套，卻已經(jīng)完成了手套狀態(tài)的信息傳輸。

處于量子糾纏的一對量子比特

（圖片來源：veer圖庫）

對于一對處于量子糾纏狀態(tài)的量子比特而言，也是類似的道理，無論彼此相距多遠(yuǎn)，它們之間始終存在特殊的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)發(fā)送方的量子比特的狀態(tài)發(fā)生改變，接收方的量子比特也會發(fā)生相應(yīng)的變化。

因此，科學(xué)家們就可以利用量子比特之間奇妙的量子糾纏，來作為通信雙方特殊的“電報機”，實現(xiàn)微觀粒子量子態(tài)的遠(yuǎn)距離傳輸。

量子隱形傳態(tài)的第一步——分發(fā)處于量子糾纏狀態(tài)的量子比特對

作為遠(yuǎn)距離量子信息傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)，量子隱形傳態(tài)需要利用量子糾纏技術(shù)，來將微觀粒子的量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)的地方，從而實現(xiàn)絕對安全和可靠的量子信息傳輸。

因此，這對量子比特作為雙方特制的“電報機”，就需要科學(xué)家們提前將這對量子比特，分發(fā)到信息的發(fā)送方和接收方，從而讓雙方采用量子隱形傳態(tài)方案，實現(xiàn)微觀粒子的量子態(tài)傳輸

量子比特糾纏對的分發(fā)過程示意圖

（圖片來源：作者自繪）

為了讓大家能夠更加直觀地理解上述過程，我們可以采取如下的假設(shè)：

首先，小王在甲地，而小李在遙遠(yuǎn)的乙地。此時，小王希望將自己手中微觀粒子的量子態(tài)，采用量子隱形傳態(tài)方案來安全地傳輸給遠(yuǎn)處的小李。

那么，小王和小李就需要一對處于量子糾纏狀態(tài)的量子比特，作為彼此特制的“電報機”。接下來，科學(xué)家們就需要將一對糾纏的量子比特A和B，分別分發(fā)給小王和小李。

需要注意的是，由于量子比特A和B的分發(fā)過程，極其容易受到外界環(huán)境的干擾而降低保真度。因此，科學(xué)家們需要采用光纖網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星傳輸?shù)忍囟ǚ绞?，來保證小王和小李各自都能接收到保真度足夠高的量子比特A和B。

也就是說，雖然在理論上，量子隱形傳態(tài)方案可以將微觀粒子的量子態(tài)傳輸?shù)饺我膺h(yuǎn)的距離。然而，受限于量子糾纏對有效的分發(fā)距離，微觀粒子量子態(tài)的實際傳輸距離仍然需要一步一步地提升。

量子隱形傳態(tài)的第二步——通信雙方還需要再次溝通

在完成量子比特的分發(fā)后，小王和小李就各自擁有了量子比特A和B，并且兩個量子比特之間仍然存在量子糾纏。

那么，小王就可以將自己手中的微觀粒子與量子比特A，進(jìn)行一系列的特定測量操作，并且根據(jù)不同的測量操作得到一系列的測量結(jié)果。這個過程可以類比于，小王采用自己手中特制的“電報機”，來將微觀粒子的量子態(tài)信息與“電報機”進(jìn)行一系列的交互操作。

量子態(tài)信息的發(fā)送方進(jìn)行操作的示意圖

（圖片來源：作者自繪）

與此同時，量子比特A在經(jīng)過小王的操作后已經(jīng)發(fā)生改變。由于量子比特A和B之間存在量子糾纏，小李手中的量子比特B也會隨之發(fā)生改變。

但是，小李此時并不知道量子比特B發(fā)生的改變究竟意味著什么。只有小王告訴小李，當(dāng)初對量子比特A做了哪些測量操作和測量結(jié)果，小李才可以讀懂量子比特B改變的含義。

量子態(tài)信息的接收方進(jìn)行操作的示意圖

（圖片來源：作者自繪）

這個過程有點難以理解，我們?nèi)匀豢梢杂谩半妶髾C”進(jìn)行類比。

也就是說，此時小李手中的“電報機”雖然也出現(xiàn)了一系列的變化，但是小李并不知道“電報機”輸出的奇怪代碼如何才能正確翻譯成為真實傳輸?shù)牧孔有畔?。那么，小李就需要等到小王告訴他當(dāng)初采取了怎樣的編碼規(guī)則，才可以真正讀取微觀粒子的量子態(tài)信息。

因此我們不難發(fā)現(xiàn)，在量子隱形傳態(tài)方案中，雖然通信雙方可以借助量子糾纏來實現(xiàn)“瞬間的”量子態(tài)信息的傳輸，然而信息的接收方卻無法直接讀取量子態(tài)的信息。

也就是說，只有通信雙方借助光纖網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星傳輸?shù)冉?jīng)典信道，來實現(xiàn)彼此的測量信息交互，才能真正完成量子隱形傳態(tài)過程。

結(jié)語

綜上所述，量子隱形傳態(tài)的優(yōu)勢在于能夠?qū)⑽⒂^粒子的量子態(tài)信息絕對安全地傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)的地方，而不需要傳輸物體本身。

但是，受限于量子糾纏對有效的分發(fā)距離，科學(xué)家們?nèi)匀恢铝τ诓粩嗵嵘⒂^粒子量子態(tài)的實際傳輸距離。此外，早期的量子隱形傳態(tài)方案信息傳輸?shù)囊?guī)模十分有限，單次只能傳輸微觀粒子少量的量子態(tài)信息，并不能有效傳輸微觀粒子的全部量子態(tài)信息。

那么，為了解決實際傳輸距離和傳輸規(guī)模的兩大限制，足智多謀的科學(xué)家們在實際應(yīng)用中又采用了哪些奇妙的解決方案呢？當(dāng)前，量子隱形傳態(tài)方案又是否已經(jīng)在實際中得到應(yīng)用了呢？請各位小伙伴保持好奇心，讓我們在下一篇文章中為大家一一解答心中的疑惑吧！