【前沿评论】不可思议的物联网通信未来式——量子通信
来源：物联网智库（iot101）
摘要：
物联网体量之大以至于现有的通信方式已无法满足其数据处理和计算的高要求，那么量子通信作为近年来全世界都青睐的通信方式，习大大和欧盟不约而同运筹帷幄，指点江山，那实际上它已招眼到什么程度了？未来到底来了么？
量子通信技术因为有着卓越的保密性能以及可以高效的信息传递一直被视为一种“未来的技术”并且由于以微电子技术为基础的信息技术应用即将达到物理极限，以量子效应为基础的量子通信将会有更多的应用领域。量子通信与成熟的传统通信技术相比，具有以下主要特点：
一是保密性强。量子通信采用的是“一次一密”的加密方式，且绝对不会重复使用，确保了通信的保密安全。
二是隐蔽性高。量子通信是一种完全无“电磁”的通信技术，现有的无线电探测系统无法对其进行探测
三是应用性广。量子既可以在太空中进行通信，又可以在海底等恶劣条件下通信，还可以在光纤等介质中进行信息“传递”，可以应用到各种应用场景。
四是时效性高。由于量子通信时延为零，可以实现超光速通信，将极大地提高通信速度。
可以看到量子通信技术具有众多卓越的性能，以前对于这方面的研究更多是实验室阶段或者有也是军事方面的一些应用。但是随着近几年物联网的兴起于发展，对于通信的性能要安全性方面有了更多的要求，因此物联网量子通信技术便得到了更多的重视。事实上无论是国内还是海外，量子通信技术都已经开始由实验室走向人们的日常生活。那么量子通信到底有什么用的魔力呢？
Part I Concepts 量子通信：一群脑力过剩的科学家的玩具
它的诞生完全起源于人们对自身思考时产生的极大困惑并且没法解答，于是以爱因斯坦玻尔普朗克薛定谔为代表的一群物理学家在一次次的口水战中推开了这扇比潘多拉的盒子更难hold住的大门。就像是，要想从封建社会的压迫中解放出来就得来一场轰轰烈烈的革命，开启资本主义社会，至于资本主义社会是会更好还是更烂？管它呢，先革命了再说。
19世纪末，一群脑力过剩的科学家思考一些在我们看来是杞人忧天的“极限”问题——如黑体辐射的光谱特征为啥只跟它的温度有关（宇宙：宏观无限大的极限）、光电效应为啥只跟光频率有关而不受光强影响（微观粒子：无限小的极限）、原子光谱为啥是分立的而不是连续的（微观粒子，速度极大）and so on——时，明显感觉到现有理论无法给出一个完美的解释（到今天我们认为经典物理适用场景往往是宏观低速）。没关系，你给我压力我还你奇迹，首先要做的是什么呢？不破不立，当然是拆迁和重建。
先别着急，我也不知道是对是错，我只知道，按上述大大们说的假设来，这个世界或许就能理解。
1900年，普朗克提出辐射量子假说，物质的能量是分离的。即，是量子的。
1905年，爱因斯坦引进光量子概念，揭示了光的波粒二象性。
1923年德布罗意将光的波粒二象性拓展至所有物质的属性。
既然物质是一种波，因而也不再采用坐标等参数来精确描述，而是采用波函数来描述，薛定谔指出，波函数只表示物质存在的概率，而再也无法确定的知道太多细节信息，因为波函数是所有可能状态的叠加，是所有。
这也就是说：
我们无法精确测量一个量子态的某个信息，因为在你测量（或试图测量）的那一刻，它蕴含的所有可能性（概率）便只剩下一种确定性。比如，买了彩票等开奖，这个时候中没中两个叠加态都存在，而在你得知开奖结果的那一刻，中，或者不中，其中一种可能性没了，那完了，这学名叫波函数坍塌。
在量子力学里，我们认为，你得知开奖结果，或者开奖这个动作，就已经影响到了你这张彩票本身。这听起来不可思议，但对不起，波函数坍塌这回事或许真的存在。至少以玻尔为代表的“正统”的哥本哈根派解释是这样的，也是现在量子力学的主流学派。
听到这是不是觉得量子就是扯淡？薛定谔老人家为了证明这扯淡性，拿它的猫来做思想实验。它的不完备性也曾让爱因斯坦抓狂，于是爱因斯坦玻尔的几次著名论战就这样悄无声息地推动了量子力学的车轮滚滚向前。
图为一群把地球翘起来好几次的人，1927第五次索尔维会议，爱玻论战。
中心论题：科学规律本质上应是因果性的还是是概率性的？
爱因斯坦：“上帝不会掷骰子。”
玻尔：“我们不能教导上帝该怎么做。”
一个坚持完全的因果性，对统计因果反常论持有异议，另一个认为必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。
的确，当一个新兴事物尚未完全展现出它的模样时，我们我们无法拒绝各种声音，支持和质疑、解释与批判，然而各种辩驳却都无可避免地加速了它的成长。而批判，往往比正面揭示更具推动力。
简单总结哥本哈根派的几个基本理论：
玻尔互补理论：微观物质体系的波动性和粒子性并非同时出现，即二者是互斥的。
海森堡不确定原理：物质的位置和动量不能同时被确定。（后来延伸为不能同时确定被测者的两个共轭物理量）。
量子态不可克隆：任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的。
量子纠缠：这是量子力学理论最著名的预测[2] 。在微观世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象叫量子纠缠，被爱因斯坦称为“鬼魅的互动”，是不是像传说中的心电感应？或者说你以为心电感应真的是传说么？nonono，它可成为了超强计算能力和量子保密系统的基础。
量子态的隐形传输：在没有任何载体的携带下，而只是把一对携带信息的纠缠光子分开来，将其一的光子发送到特定的位置，就能准确推测出另一个光子的状态，从而达到“超时空穿越”的通信方式和“隔空取物”的运输方式。
虽然玻尔的知名度在这个科学界要远低于爱因斯坦大大，但此时我们不得不承认，哥本哈根理论在如今的量子通信技术落地阶段有着更强的实用性。
Part II evolution：开始在你质疑声中，进展在你意料之外
虽不能证明是否确有超光速这么回事，然而量子力学理论和应用——量子通信的发展，绝对可以用超光速来形容。
量子通信技术相较现有的经典通信方式而言，其核心竞争力在于：第一，几何倍数地高于现有的通信速度；第二，几乎无可破译的保密性。
如此说来，量子早就按李克强总理指导的“供给侧改革”来给自己做职业生涯规划了，它有意识地主攻四个方向：量子密钥分配quantum key distribution （QKD）、量子隐形传输、量子安全直接通信、量子机密共享。
这里主要解释一下密钥分配。
传统意义上说，信息需要加密才能安全，加密的方式有很多，唯一被证明了是“绝对安全”的密码体系，是所谓的一次一密。所谓的一次一密，就是要求用于加密的密钥长度与被加密的明文长度相同。所以若要达到这种加密标准，那么就要有很多很多的密钥，而且密钥要安全。
所以量子保密通信干的事情并不是加密，而是把密钥分配给需要保密通信的双方。其次要保证分配的过程中不会使未授权的第三方得到密钥的内容。
Part III problems：道阻且长，然而路在前方
量子通信最大的问题其实是量子力学本身发展的局限性所致。20世纪初诞生一来，它的发展和突破已算得日新月异，然而与我们所熟悉的经典科学类别相比，它不仅太年轻，还因它的颠覆性、不可测性而表现出落地阶段的心有余而力不足。
举个最实在的例子，量子纠缠中超越光速的超距作用因违背光速不变原理不仅让爱因斯坦认为难以置信，我等凡人眼不见也不敢信，而量子纠缠的发生机理至今仍是无定论的谜。量子力学与广义相对论之间的不相容问题已被列为当代科学所面临的四大难题之首。
这…不禁令人扼腕。可也正因如此，它更显示出无可比拟的神秘，如黑洞般吸引着一批又一批的量子后辈的想象和探索。
所以在这里笔者也不禁要回呛一下那些妄自菲薄唱衰量子通信的论调。而这些论调来的往往无比轻巧，他们既没有度过一个无比压抑和痛苦的失败实验，更加不是往这些“坑爹的”量子通信项目里投了几个亿结果打了水漂，而仅仅是观望了一下不懂的量子论，然后一副“我不懂那谁也别想懂”的NB姿态将量子论及其身后庞大的产业链一棒子打死；或者是没主意地侧过身瞧瞧别家动态（想象一下考试时候作弊的模样），恰好不经意看到一条新闻：美国国防部已经否定了量子隐形传输项目。瞧见没，美国都停止这项目了，那这项目肯定不行。呵呵，是谁给的你崇洋媚外的自信啊。
但话说回来，仰望星空还需脚踏实地，我们必须承认它的有待开发的稚嫩和自相矛盾的“中二”。
Problem1 量子通信体系本身免疫不足
有人指出量子密码可能并非想象中的牢不可破，不可破译只是理想状态。理想状态？就像…记得吗？就像物理题目里的小物块，不计质量表面光滑，忽略空气阻力。然而别说在实际应用的嘈杂环境中了，单是实验室你也没法忽略这些实实在在的干扰。
早在2008年，就有瑞典林雪平大学学者拉森和挪威科技大学学者马卡罗夫不约而同指出量子通信体系的安全漏洞。近年来更是有一些唯恐天下不乱的物理“恐怖分子”在研究什么虽然这些并不是量子密码原理的不完满，而是系统的不适应，却也让人们对未来的量子通信体系留有一些不确定。
Problem2与经典方法融合的“排异反应”
由于光纤损耗和探测器的不完美性等因素，以光纤为信道的量子密钥分发距离已接近极限；而由于地球曲率和远距可视等条件的限制，地面间自由空间的量子密钥分发也很难实现突破。说白了，就是量子加密通信的传输距离很短。
此外，也有科学家直接通过空气进行两点之间的量子信息传输，但干扰等问题的存在，仍然极大地限制了量子通信的距离。目前量子态隐形传输最远的记录只有144公里。超出了这个极限，量子密码就无法正常工作。因此，不少科学家都认为地球与太空之间的量子通信是不可行的。
然而这些难题并非无解。
新研究中，意大利的研究小组试图改变这一成见。该小组研究人员在意大利的马特拉激光测距观测站向所有的卫星都发出了光子信号，并测定卫星何时能将数据返回。研究人员发现正如预期的那样，数据错误率全部都低于11%的阈值。这表明，这些卫星能够产生连贯的光子信号，并与地面站之间进行完全安全的量子通信（利用量子密钥分配）。
从专网发展到公众网络，量子通信走向大规模应用。量子通信技术是解决信息安全的根本性手段，具有重大的经济价值和战略意义，其长远目标是实现绝对安全的远距离量子通信，最终目标是促进量子保密通信产业化。量子通信从原理走上小范围专用问题的实用化，相信量子通信技术会是实现物联网时代“万物互联”愿景的重要助力。
最后附上后人对爱玻论战的“泛娱乐化”解读。爱玻这对CP，量子这个圈子你敢萌么？
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作者：宛儿
资料来源：百度文库、豆丁网
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