【两栋山.解毒丸】量子通信，距离我们还有多远？
您只需要点击上面的蓝色字
【两栋山.解毒丸】是一个专门解读科学绯闻的“黑科技”专栏，但绝不是为了“黑”科技，而是为了还科学一个真面目。
本来，科学是一件及其严肃的事情，来不得半点虚情假意，但是扛不住来不及严谨的媒体和自媒体们断章取义、夸大其词。
不实报道伤害的不仅仅是观众的感情，当实验室特定理想环境下付出巨大代价得出的实验结果被渲染为放之四海而无敌的法宝之后，科研人员将不得不面对公众和领导高得离谱的预期，以及泡沫破裂之后巨大的道德风险。
本期节目由运营商网络维护与优化群策划制作，操刀手仍是非著名物理学家炸药博士，他将用朴素的语言，解毒量子通信的前世今生。
从阿里的量子通信说开去
“量子通信”是今年的科技热词，阿里在今年云栖大会上展示的量子通信系统更将这一概念推向舆论的巅峰。一个基础科学领域的技术能够获得大众如此热情的关注是科学之福，不过对于普罗大众来说，量子可能比相对论更为生疏和难以理解，因而难免照猫画虎产生歧义。量子通信中的通信二字，会引导大多数人将这项技术与使用无线、有线信道环境传递信息的移动通信、光纤通信混淆，认为量子通信一定是使用量子进行通信。但实际上，量子通信并不像移动通信或者光纤通信那样使用自由空间或者光纤等物理层介质进行通信，而是指利用量子纠缠（quantum entanglement）效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，虽然量子通信号称具有良好的加密作用，但量子通信本身还是离不开传统的无线信道环境或者光纤信道环境。
量子纠缠早是由薛定谔和爱因斯坦提出来的，两人都是量子力学的奠基人，但都反对哥廷根学派所代表的量子力学正统思想，纠缠态就是他们为了批判后者的哲学思想而提出的。尽管当事人都已作古，但纠缠态的公案并没有落幕，与纠缠态和量子通信有关的新闻仍然层出不穷，比如最近的几则与量子通信有关的新闻就引起了普遍的关注：
一则是荷兰代尔夫特科技大学的Ronald Hanson领导的科研团队在相距1.28千米的两个实验室里，分别用微波去激发处于极低温钻石中的电子，实现远程的量子纠缠(http://news.ifeng.com/a/20151025/45991717_0.shtml)。该实验室也坦言，此次试验的唯一不尽人意之处，在于两边的光子精确同时到达的成功率很低，大约1.5亿个光子对中才能有一对光子成功干涉并实现电子的远程纠缠，该实验一共进行了超过22小时，却只得到245次有效数据。
另外一则新闻是明年中国将发射世界首颗量子通信卫星（http://tech.qq.com/a/20151127/020517.htm），我国还将发射多颗卫星，到2020年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成，到2030年左右，则将建成全球化的广域量子通信网络。
就在今年的12月11日，英国物理学会旗下期刊《物理世界》公布2015年度国际物理学领域十大突破，中科大潘建伟院士团队的“多自由度量子隐性传态”的研究成果荣登榜首。
看完这几则新闻，一般的小白一定会认为量子通信距离实用只有咫尺之遥，明年用上量子通信手机也不是没有可能，但是且慢，基础科学这事，还真没那么简单。
量子纠缠效应
下面言归正传，先从量子纠缠态说起。
量子纠缠其实就是多粒子体系或多自由度体系的一种不能表示为直积形式的叠加态。例如，如果其中一个粒子为正旋状态，则在理论上其纠缠的另一个粒子就是反旋状态。在量子力学里，两个粒子在经过短暂时间彼此耦合后，单独搅扰其中任意一个粒子，会不可避免地影响到另外一个粒子的性质，即使这两个粒子之间可能相隔很长一段距离也概莫能外。
量子纠缠态最早是由薛定谔和爱因斯坦提出来的，不过不幸的是，两位大师虽然都被奉为量子力学的奠基人，却又都反对量子力学所包含的正统思想，看到这是不是感觉很分裂？这个事其实是这样的，爱因斯坦并不相信量子纠缠，并将其称为“幽灵行动”。爱因斯坦说过一句很有名的话“上帝是不投骰子的”，旨在否定量子力学对物理世界概率性的描述，纠缠态就是为了批判量子力学所蕴含的哲学思想而提出的。那么问题来了，爱因斯坦倒底是量子纠缠态之父呢，还是量子纠缠态之敌呢？
波尔和爱因斯坦
尽管爱因斯坦等物理学家却始终坚持量子力学不是最终理论，但是一个巴掌拍不响，以丹麦物理学家波尔（Niels Bohr）为代表的“哥本哈根学派”却坚持认为量子力学是完备且自圆其说的。二者的主要分歧在于，物理世界的主宰是传统的机械决定论还是概率论。爱因斯坦支持前者，而波尔支持后者。于是两派长期针锋相对，唇枪舌战，他们争论的焦点就是“量子纠缠”，因为量子纠缠直接挑战了经典物理学的定域性描述。按照量子力学的理论，两个朝相反方向运动的光子，只要不受干扰，无论相距多远都可以在瞬间传递信息。这和爱因斯坦按照传统科学理念去理解的世界截然不同，如果哥本哈根学派是对的，那么人们就不得不推翻许多根深蒂固的观念，重新去审视我们的世界。
到了上世纪60年代中叶，当时爱因斯坦已经去世10年，欧洲核子研究组织（CERN）的约翰·贝尔（John Bell）在赴美国访问期间，发表了一篇著名的论文，将这一看似抽象的哲学问题简化为一个清晰的数学不等式，这就是著名的“贝尔不等式”。贝尔不等式其实是说如果爱因斯坦质疑量子力学完备性而提出的隐变量存在的话，那么在特定的实验条件下，实验结果（大量独立重复实验的统计概率）就会被限制在一个范围之内。一旦实验测量超出该范围，即贝尔不等式不成立的话，那么爱因斯坦就是错的，隐变量理论也就不正确。由于贝尔不等式可以直接付诸实验观测，爱因斯坦与哥本哈根学派之间的争论就可以不再纠缠于形而上的神秘色彩，取而代之的是，人们开始热衷于对贝尔不等式的实验观测。
然而实验测量并不简单。在过去的50年里，人们提出了不计其数的实验方案，但每一个方案都有漏洞。所以，尽管许多实验得到了违反贝尔不等式的结果，但由于漏洞的存在也无法在逻辑上直接证明贝尔不等式不成立。令人振奋的是，最近由荷兰代尔夫特科技大学的Ronald Hanson领导的科研团队，终于实现了目前漏洞最小的一次实验观测，50年来有可能第一次最接近无懈可击地直接证明了贝尔不等式不成立。即使如此，很多科学家认为贝尔表达式违反了量子力学非定域性定则，并不具备推翻爱因斯坦学说的权威性。
通信中的量子密钥分发
所谓的量子通信系统，按所传输的信息是经典还是量子态而分为两类：前者主要用于量子密钥分发，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。很多通信系统仅仅完成量子密钥的分发就号称自己是真正的量子通信。
量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)是利用量子物理特性(即量子不可克隆原理)实现无条件安全的密钥分发，目前主要是在光纤或者自由空间利用光子的偏振或者相位特性实现，并非严格意义上的量子通信。BB84，B92和E91协议是目前量子密钥分发的三大主流方案。
1984年查尔斯·贝内特（CharlesBennett）与吉勒·布拉柴维尔（Gilles Brassard）发表的论文中提到的量子密码分发协议，后来被称为BB84协议。BB84协议是最早描述如何利用光子的偏振态来传输讯息的。发送者（通常称为Alice）和接收者（通常称为Bob）用量子信道来传输量子态。如果用光子作为量子态载体，对应的量子信道可以是光纤。另外他们还需要一条公共经典信道，比如无线电或因特网。中国科技大学在芜湖建立世界首个量子政务网在使用的就是BB84协议。
BB84量子密码分发协议
1992年贝内特针对BB84协议改进，在发表的论文中描述的量子密码分发协议，被称作B92协议。B92协议中只使用两种量子状态。这个协议有个弱点，只有无损耗的信道才能保证这个协议的安全性。否则，Eve可以把那些无法得到确定结果的状态截获然后重新制备可以得到确定结果的状态再发出去。阿图尔·艾克特（Artur Eckert）于1991年发表的E91协议应用了量子纠缠科技。在这方法里，Alice和Bob分别接收到EPR对中的一个，之后双方都大量的随机选择基去测量，之后用贝尔不等式验证测量结果，来判断是否有人窃听。
目前，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。要实现更远距离、甚至是全球任意两点的量子密钥分发，基于低轨道卫星的量子密钥分发是最具潜力和可行性的方案。但这需要克服大气层传输损耗、量子信道效率、背景噪声等问题。尤其是低轨卫星和地面站始终处于高速相对运动中，存在角速度、角加速度、随机振动等情况，如何在这些情况下建立起高效稳定的量子信道，保持信道效率及降低量子密钥误码率，成为基于低轨道卫星平台实现量子密钥分发面临的关键。
真正量子通信及其未来
真正的量子通信就是所谓隐形传送（quantum teleportation），指的是量子纠缠态可以脱离实物的一种“完全”的信息传送， “当测量一个粒子时，另一个与之关联的粒子会瞬时改变状态，无论它们相距多远”。 1982年威廉·沃特斯和沃伊切克·祖瑞克发表了题为“单量子不能被克隆”的论文，他们证明这种克隆与量子力学的叠加原理不一致。既然单量子无法被克隆，所以量子密码原则上可以提供不可窃听、不可破译的保密通信系统。如前面提到的争论，这种纠缠态本身在学术上具有巨大的争议，不断有人声称纠缠态的观察结果，但是这些观察结果所依赖的实验装置以及理论构建都或多或少存在漏洞，隐形传送短时间内还不可能实现。
量子隐形传送
在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学家贝内特（C.H.Bennett）提出了量子通信的概念。将某个粒子的未知量子态（即未知量子比特）传送到另一个地方，把另一个粒子制备到这个量子态上，而原来的粒子仍留在原处。即将待传送的未知量子态与EPR对的其中一个粒子实施联合Bell基测量，由于EPR对的量子非局域关联特性，此时未知态的全部量子信息将会“转移”到EPR对的第二个粒子上，只要根据经典通道传送的Bell基测量结果，对EPR的第二个粒子的量子态施行适当的幺正变换，就可使这个粒子处于与待传送的未知态完全相同的量子态，从而在EPR的第二个粒子上实现对未知态的重现。
贝尼特的方案虽然极具吸引力，不幸的是美国国防部否定了量子隐形传输项目。美国政府在新一轮科技规划中停止了对光量子信息项目的支持，并从国家标准和技术研究所的量子计算组撤回资金，洛斯阿拉莫斯国家实验所失去对量子加密研究的资助。现在在物理构建尚未明朗情况下，量子通信中纠缠态的量子信源的制备和纯化犹如抓阄一般，量子纠缠态的远距离传输受到传输中信道环境影响比传统通信中信道影响更大，单量子通信就显得更不靠谱了。在这样的背景下，阿里能否在量子通信商用领域取得革命性突破就非常值得国人期待了。
这是最坏的时代，也是最好的时代，量子通信，究竟离我们还有多远？
投票之后，轻松一下：量子物理，要从娃娃抓起。
欲知下一期【两栋山.解毒丸】专栏内容，请长按以下二维码关注我们的微信公众号。在这里，已经有五百多个小伙伴和你一起在细枝末节中分享独立思考的乐趣。