我国的「量子通信」技术真是世界第一吗? | 循迹晓讲

｜循迹晓讲 · 用文化给生活另一种可能

｜作者：颜方平

｜配图/排版/校对：循迹小编

｜全文约7000字 阅读需要20分钟

｜本文首发于循迹晓讲 未经授权 不得转载

近日，中科大宣布，我国已经建成了“全球第一”的量子密钥分发网络，取得了“量子通信”的巨大成就。

｜相关报道 图源于网络

2016年，发射了试验“量子通信”的“墨子号”卫星，并在2019年12月30日实现了与地面站的对接，“墨子号”因此可以向地面分发通信密钥，济南地面站接收后可以进行密钥试验。

同时，地面还建立了“京沪干线”，通过天地配合，已经完成了跨越总距离达4600公里的多用户量子密钥分发。很多人认为，这意味着我们在“量子通信”领域已经取得了“霸权”。

｜相关报道 图源于网络

这是真的吗？非也。

目前试验的“量子通信”，并不是真正意义上的“量子通信”。看到这里，很多读者会感到十分困惑，难道“量子通信”是个骗局？

这个问题的答案，还得从头开始搞清楚跟“量子通信”有关的全部问题。

01

什么是量子？

量子是指物理上的一种数量单位，将物质分割到不可能再分割的时候，呈现出来的物质单位就被叫做量子。

所以，“量子”并不是一种实体存在的微粒，而是物质的最小单位，这是个需要厘清的基本问题。

在宏观物理体系中，物质的性质是可以量化的，数量是可以无极变化的，比如汽车的速度，可以平滑增加，从0增加到100公里每小时，而不是从0直接跳到10，再跳到50。

但在微观世界里，与物质的性质有关的量，并不是平滑变化的，它们都是以特定数值为档，一档一档地变化，不会出现任意数值。这是20世纪以来物理学家对微观世界提出的新的理论解释，理论的核心就是“量子”的概念。

比如汽车的速度，我们规定它是以10公里每小时为单位，所有汽车的速度都只能是0、10、20、30这样变化，而不会出现5、15、18这样的数值。汽车速度的最小变化单位——10公里每小时，就是汽车的“速度量子”。

需要注意的是，并不是说，微观世界就是物理学家描述的这个样子，事实上，我们永远也不可能知道微观世界到底是什么样子。物理学家只是提出了量子理论，构建了一个假设模型来描述微观世界，而这个模型到目前为止，能够比较好地解释我们所发现的现象。从发现现象到理论解释，我们从中可以窥见科学发展的过程。

｜海因里希·鲁道夫·赫兹（1857年2月22日－1894年1月1日） 图源于网络

1887年，德国物理学家赫兹在观测光的实验中发现，当使用光照射两个靠得很近但并不互相接触的金属线圈时，两个金属线圈之间会产生电火花。赫兹详细分析了照射线圈的光线，发现是高频率的紫外线作用于线圈，导致线圈产生电流，因而生成了电火花。这一光生电的现象被称为“光电效应”，赫兹仅仅是报道了光电效应，但没有对光电效应进行进一步解释。

光是一种电磁波，一直以来，人们都认为电磁波与普通的机械波如声波、水波等没有什么不同，波的能量与振幅的平方呈正比，这是中学物理知识。作为波存在的光，振幅也就是亮度越大，能量就越大。

但有趣的是，在光电效应中，因光照而产生的电流与光的强度没有任何关系，仅仅与光的频率相关。这一现象难倒了大量的物理学家，都没有办法给出比较好的解释。

｜爱因斯坦（左二）和普朗克（中）在聚会上 图源于网络

1900年，德国物理学家普朗克提出了量子论，即认为微观世界的物质性质不是连续的，而是按照特定的最小值，一份一份、一档一档变化的。

1905年，爱因斯坦在普朗克的量子论基础上继续思考，发表了《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，创造性提出光也不是连续的电磁波，而是一份一份的最小能量单位组成的，爱因斯坦将这些最小能量单位称作“光子”。

爱因斯坦认为，组成光束的每一个量子所拥有的能量仅与频率有关，因此只要光的频率足够高，就拥有足够的能量让金属物质中的电子脱离金属原子核的束缚，“逃逸”出来，金属物质中定向运动的电子就形成了电流。爱因斯坦的创造力帮助他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦的理论，固然是他本人的天才，但也离不开德国人赫兹和普朗克、俄国人斯托列托夫、英国人汤姆逊、匈牙利人莱纳德等一代又一代来自各国的物理学家们辛勤构建的物理学大厦，爱因斯坦是真正站在巨人的肩膀上。

这也告诉我们一个朴素的道理，科学研究是全人类共同的事业，需要开放、合作、共享，也需要自由的环境让天才得以发挥，单靠一个国家，单靠一味的巨额投入，单靠行政力量的计划推动，产生的效果是差强人意的。

02

量子的性质

现在我们已经知道了，“量子”并不是客观存在的微粒，而是科学家用以描述物质最小单位的假设概念。这种最小单位有光子、电子、夸克等，被人们认为是不可再分的基本粒子。它们是无限小的点，而不是小球。

那么，我们怎么去理解和研究这些点呢？让我们再从现象出发。

物理学家发现，当物质中所含有的某种化学元素被加热时，会产生电磁波辐射，这些电磁波呈现出在某些频率下辐射较强的特征，这种在不同频率下辐射强度有强有弱的现象被记录在一张图纸上，被称作“光谱图”。

不同的元素呈现出各自的特征光谱，是我们分析物质当中含有哪些元素的基本分析方法。为什么物质会有光谱呢？

｜欧内斯特·卢瑟福（1871年8月30日－1937年10月19日），英国著名物理学家，知名为原子核物理学之父。学术界公认他为继法拉第之后最伟大的实验物理学家。

1911年，英国物理学家卢瑟福根据太阳系的形状，提出了物质原子结构的假说，认为物质的组成单位是原子，原子由中间的原子核和围绕原子核运动的电子构成。

｜尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔（1885年10月7日—1962年11月18日），丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人，哥本哈根大学硕士/博士，丹麦皇家科学院院士，英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位，1922年获得诺贝尔物理学奖。玻尔通过引入量子化条件，提出了玻尔模型来解释氢原子光谱；提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学

1913年，丹麦物理学家玻尔结合量子理论，进一步提出，卢瑟福原子结构中电子的运动，并非宏观世界所理解的围绕原子核作圆周运动，而是一种微观的不可描述的运动，根据普朗克量子理论，电子的运动也有不同能量的特定档位，被称为“能级”，电子因为能量的变化，会从某一个档位跳跃另一个档位上去，被称为“跃迁”。

原子核外的电子受到外来能量的激发，跃迁到能量更高的能级，之后再回到能量较低的能级，将能量发射出来，就形成了电磁辐射。

因为电子的能量只能在特定能级间跃迁，辐射出来的能量就是特定的，因此才会形成特定的光谱。如何定义电子的能量呢？能量的形式是动能和势能，它需要我们进一步定义电子的运动状态。

奥地利物理学家泡利用“自由度”来概括电子的这种不可描述的运动状态，德国人克勒尼希用“自旋”的概念进一步解释了泡利的“自由度”。

奥地利的薛定谔、德国的海森堡、英国的狄拉克等，继续完善了“自旋”理论。电子并不是一个小球，不存在宏观世界所理解的“自转”，因此“自旋”只是一种抽象的假设概念，是基本粒子的内在性质。

尽管如此，我们还是引入宏观世界中计算球体自传的动量概念——角动量来描述微观粒子的自旋，且根据量子理论，其自旋的角动量也是固定的档位，以二分之一档为基本计算单位，电子的自旋是二分之一，光子的自旋是一。

有“角动量”，也有“方向”，但还是不同于宏观世界的方向，量子理论中微观粒子的自旋方向只有两个数学值，为便于理解，记作“上旋”和“下旋”。

以上所说的所有概念，都不是微观世界里的客观实在，都是科学家所提出的理论假设。

为了研究方便，科学家又把光子、电子这样的物质单位假设成是具备实体的“粒子”，并且假定它们有固定的运动状态，包括运动速度、自身旋转的方向、运动的坐标等。

之所以这样假定，是因为这样的假说大体上可以用来解释我们观测到的现象，就好像微观世界真的存在一粒一粒的“光子”一样。

通过认识量子理论，我们需要了解的不仅仅是理论本身，更要了解科学研究的过程。它是从现象出发，再提出理论去解释现象。

在西方的教科书中，总是按照这个过程来启发学生思考，而我国的教科书却恰恰相反，先提出理论结论，再寻找符合这个结论的事例，因此我国的学生总是认为“理论”、“结论”就等于“客观”、“真理”。

其实，不管是社会科学还是自然科学领域，世界上都不存在绝对的真理。

在19世纪和20世纪之交，西方人已经构建了堪比玄学的理论物理大厦，此时的大清知识分子才刚刚知道几百年前有个牛顿，对牛顿的理论还一知半解。

03

量子纠缠

虽然科学家能定义微观世界的粒子，却不能准确描述粒子的状态。

1927年，德国人海森堡提出，只有能够被观察到的物理量才有意义，才可以用来描述物理行为，而不能被观察到的物理量就没有实际意义。但不幸的是，粒子的位置和动量不可能同时被确定，被称为“海森堡不确定原理”。

｜沃纳·卡尔·海森堡（1901年12月5日—1976年2月1日），男，德国著名物理学家，量子力学的主要创始人

他解释，假设人们观测某一个粒子的状态，观测需要对粒子进行测量，而这种测量则不可避免要扰动粒子的状态，造成粒子动量的变化，越精确地知道位置，则越不精确地知道动量，反之亦然。

｜薛定谔的猫 图源于网络

1935年，薛定谔提出了著名的思想实验——薛定谔猫。

在这个思想实验中，猫必须被观察到才知道它是死是活，当人们没有观察猫的时候，猫在数学上处于一种死和活同时存在的叠加态。从未知到知，猫的状态从叠加态坍缩为确定态，但毫无疑问的是，确定态一定与叠加态不同。

假设有一个粒子有待我们观测，要观测它必须使用光或者电，才能让人类看到它。而观测粒子所用的光和电本身也是光子或者电子，一旦观测这个粒子，必然发生光子与粒子的相互作用，因此粒子也就不再是我们没有观测它时的状态了。

此时，我们既不能准确描述我们观测粒子所用的光子的状态，又不能准确描述被观测粒子的状态，我们在显微镜（假设存在）中看到的粒子图像，实际上是光子和被观测粒子共同组成的整体系统。

｜量子纠缠示意图 图源于网络

这就是“量子纠缠”，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子互相之间的作用改变了单个粒子本体的性质，现象只能描述粒子整体系统的性质，而不能描述系统内每个单个粒子的性质，该现象被称为量子纠缠（quantumentanglement）。

具体地说，假设有一个粒子衰变为两个以相反方向移动的粒子。对其中一个粒子进行测量，如果自旋方向为上旋，则另外一个粒子的自旋必定为下旋。当对其中一个粒子做测量，另外一个粒子似乎知道测量动作的发生与结果，尽管两个粒子相隔甚远。

这种固定的匹配现象启迪了我们，似乎可以应用在通信方面。

如果能够基于量子纠缠传输信息，信息一旦被扰动则必然丧失原态，换句话说就是能够实现信息的绝对安全。但这种实现谈何容易。

因为量子纠缠的本质是量子的干涉叠加，也就是在薛定谔猫实验中，观测之前猫的状态的数学函数表达。我们既不能知道分离前多个量子的具体状态，也不可能知道分离之后量子的单独状态。

一旦对粒子进行观测，就会导致粒子的叠加态坍缩。人类并不能用宏观意义上的“看”来观测微观粒子，“观测”本身就是外力施加于粒子使其出现某种现象，既然是外力施加，就必然改变粒子原来的状态。

所以，尽管量子纠缠态不受距离限制，却无法用来通讯。因此目前所有的基于“量子纠缠”思路进行的通信试验，都不是真正意义上的“量子通信”。

04

量子密匙

现代通信，通常是通过密钥来保证通信信息不被窃取。密钥包含一组或多组无序校验码，按照双方生成密钥时制定的标准生成两份，一份是加密密钥一份是解密密钥，双方各保存一份，分别按照一定的规则得到加密信息，然后通过网络传输到对方，对方再通过解密密钥来解密信息得到明文。

｜潘建伟，1970年3月11日生，浙江东阳人，物理学家，教授，博士生导师，毕业于中国科学技术大学、维也纳大学博士

目前我国科学家潘建伟开展的“量子通信”实验，其本质是基于量子纠缠的原理实现通信加密后的密钥分发（QKD，QuantumKey Distribution），而不是用“量子”进行通信。

换句话说，量子理论本来就是一种理论假说，就算真的存在微观粒子，人类也不可能准确观测和描述粒子的运动状态，也就不可能用粒子的运动状态来记录需要传输的信息，怎么可能实现“通信”？

在普通的通信当中，消息的编码为比特，也就是数位，使用0和1来标示信息。一个数位在同一时间只可能是0或者1，不可能同时又是0又是1。

1969年，以色列人韦斯纳最早提出，可以设置一种基于量子力学的计算设备，让数位的值用量子态来标示，不同于半导体计算机通过控制集成电路来运算信息，量子计算通过控制原子或小分子的状态记录和运算信息。

实现这一系统的前提，是必须制造出一个能表征量子特征的物理系统，就像传统计算机中的集成电路一样。人们想到了——光。

｜BB84协议

1984年，IBM公司和蒙特利尔大学的学者提交了一篇旨在实现基于量子特性的加密方法的论文，在论文里提出BB84协议。

该协议把密码以密钥的形式分配给信息的收发双方，因此也称作“量子密钥分发”。这种量子密钥是利用光子互相垂直的两个偏振方向和测量参考系之间的关系形成的，具体过程略去不表，但它的基本特性是：

信息发送方所发送的信息经过加密之后变成0和1组成的字符串。字符串转化为特定的一系列光子，信息接收方接收到这些光子，再将其还原为新的字符串，因为接收方对每个光子进行测量所使用的参考系不一定与发送方相同，但每一个光子被测量时，所用的参考系都有百分之五十的概率与发送方相同，百分之五十的概率与发送方不同。

剔除用不同的参考系测量得出的结果，剩下的字符必定与发送方对应数位上的数值相同。当发送方把字符串发给接收方，接收方对照找出的这剩余的相同字符串，这就是一次完整的量子密钥分发。

与量子纠缠原理相似，发送方的信息所转化的光子和接收方所测量的光子可以看作是一个量子系列，它一旦被观测，其特性，也就是光子的偏振方向就会发生变化，不再承载发送方的信息。

所以，有且仅有信息接收方这一次观测才能够得到能与发送方分发的密钥相印证的信息，中途如果有窃听，经过窃听之后的光子已经被扰动，接收方也就无法将其与发送方分发的密钥印证，通信就可以中止。

05

实现通信

量子通信，不是利用量子实现通信，而是用量子纠缠的原理，在发送和接收双方进行密钥协商，然后用密钥加密数据。

但被加密信息还是通过传统的网络信道进行传输，包括以太网、无线通信、激光通信等等普通的通信方式。而潘建伟团队牵头进行的量子通信实验，其实就是光纤通信。它必须要依赖传统的通信方式。

其中，量子密钥分发，其实现方法是使用弱偏振光脉冲，也就是一种可以被看作单个光子的光源。

说到这里，又不得不补充一句，前文不是说“光子”只是一种理论假说吗？为什么可以有光源发射客观实在的“单个光子”。其实并非“单光子”，而是我们在假设量子理论成立的前提下，根据光是由一份一份最小单位组成的理论，假定任何光源发出的光，只要衰减足够的倍数，就可以视为“单光子”。

因此，“单光子”光源，使用的是普通激光发射器，将激光脉冲控制在极弱的程度，我们认为每个脉冲的能量是一定的，每个脉冲包含的光子数目也就是大致不变的。

｜量子通信卫星与地面站实验示意图  图源于网络

有了“单光子”源之后，使用偏振片让每一个脉冲的光呈现特定的偏振方向，这个过程就是“量子态制备”，这是实现光子承载信息的主要环节。不同方向偏振的光脉冲，就可以实现前文所描述的密钥传输。

纠缠光子对中的一个发送给接收者，另一个纠缠光子通过发送方的偏振片测量获得光子状态（波塌缩），由于发送方光子状态确立，接收方的光子也因为纠缠机制变成确定的对应状态，光子经过偏振就是测量。发送方和接收方的偏振片随机选择。

说到这里，我们已经知道，目前的量子通信，特点仅仅是能够做到及时知晓是否有人窃听，因为一旦有人窃听，信息就会被破坏而无法传输。

但是，量子通信本身却不可能脱离传统的通信方式，也没有任何比传统通信方式更稳定、更快速的地方，相反，它是极不稳定的通讯方式，牺牲稳定性换取对窃听的监测。

｜量子通信网络加密通信的流程示意图  图源于网络

2017年的量子卫星“墨子号”的实验结果并不能满足实际使用需求，600万个弱偏振光脉冲只检测到了一组纠缠，比特率极低。量子信道信噪比SNR大约-60dB。由于比特率低所以目前不能实现“一次一密”。

卫星和地面的加密数据通信采用了激光通信，光需要穿越大气层，通信质量受天气影响巨大，下雨、多云都会导致信噪比SNR降低。

因此，目前实际的量子通信水平，仅仅能做到短距离内安全通信，如25公里内高清视频“一次一密”，100公里内音频、文字、图片等“一次一密”。

｜京沪量子通信干线  图源于网络

至于报道中提到的“4600公里”，首先它是多次试验总距离的累加，而所谓“京沪干线”只能是在多个短距离上增加分发密钥的中继，把长距离切分为多个短距离。

可惜的是，目前的中继只能是人工中继，这种“人工量子光纤通信”并不具备实际应用价值，也就不存在什么“世界第一”。

结语

随着我国综合国力不断提升，主流媒体越来越多出现有关科学的新闻和各种科学名词。这本是科研实力、国民素质随着综合国力相应提升的应有之义。

但我们却经常发现一个怪现象，主流媒体上有关科学的报道，绝大多数都只是在大力宣传某方面取得重大成就，甚至不乏夸大、吹嘘的文字，但对于这些方面的基本科学知识却几乎只字不提，更不会报道世界上其他国家目前已经取得的进展。

这些报道存在的意义，无非就是让人感觉“自豪”，在这些“自豪”背后，却空无一物。

｜量子波动速读、量子理疗床垫、量子美容仪、量子电饭煲、量子坐垫、量子光波仪等等  图源于网络

因此，科学方面的报道不仅起不到宣传、普及科学，激发国民，尤其是年轻国民科学热情的作用，反而越看这些宣传，国民的科学素养越低。

要杜绝这种结果的发生，只能大家从我做起，多多了解科学原理，发扬科学精神，这也让真正的科普文章在当今舆论环境下显得愈发重要。

量子力学因为其理论的深奥，总是被人称为“玄学”。其实，科学怎么会是玄学呢？如果是玄学，怎么又可以利用量子理论实现通信呢？

希望这篇文章能够起到普及基础知识的作用，也打破一些媒体一叶障目的宣传。

（END）

——点击“阅读原文”即可获取更多精彩内容——

---