神奇的量子传输技术

方馨民

2016年8月，中国发射了一颗名为“墨子号”的卫星，引起国际轰动。有评论认为，中国凭借这颗卫星，不出15年将成为新一代通信的技术霸主。大家关注“墨子号”，因为它是世界上第一颗事关通信安全的量子卫星。下面我们就围绕量子卫星谈谈神奇的量子传输技术。

密码钥匙

大家都喜欢看谍战片吧？科技含量高的谍战片通常有破解通信密码的情节。破解通信密码需要获得密码钥匙。

这里说的密码钥匙就是信息的加密方式，因为它和咱们开门用的钥匙有相似功能，所以被称为密码钥匙，简称密钥。打个比方，甲想向乙传输“123”这段信息，先按照将每个数字都加3的方式向乙传输“456”，“123”就叫明文，“456”就叫密文，而每个数字都加3就是密码钥匙。发送者可用密码钥匙加密信息，接收者可用它来解密。

如果第三方没有密码钥匙，又想获得明文信息，就需要间谍活动了。间谍获得密码钥匙的方法很多，有时靠骗，可以从甲或乙那儿骗来密码钥匙；有时靠买，间谍向甲或乙许以报酬，收买密码钥匙有时也能成功；有时还靠偷。

无论骗还是偷，都属于人工方法，获得密码钥匙的效率比较低。现在间谍都愿意用计算机通过计算来获取密码钥匙，就是利用计算机的超强功能，寻找密文信息的变化规律，其中的规律就是加密方式。有了计算机这种机器助手来帮助间谍破解密码，间谍们很嚣张地宣称：没有破解不了的密码钥匙，破解密码钥匙只是个时间问题！

利用计算机破解密码终究会成功，所以说信息安全只是某一段时间内的相对安全，而不是永久的安全。那么，有没有永远不会被解密的通信方式呢？有呀，它就是量子通信。

科学探索

公元前405年，雅典和斯巴达发生了战争。斯巴达军队捕获了一名雅典送信人，从他身上除了搜出一条布满杂乱无章的字母的腰带之外，别无所获。情报究竟藏在什么地方呢？斯巴达军队统帅莱桑德无意中把腰带呈螺旋形缠绕在手中的剑鞘上时，奇迹出现了，原来腰带上那些杂乱无章的字母，竟组成了一段表意清楚的文字，密码得以破解！腰带情报，就是世界上最早的密码情报，具体运用方法是，通信双方首先约定密码解读规则，然后通信一方将腰带缠绕在约定长度和粗细的木棍上书写？收信一方接到后，如不把腰带缠绕在同样长度和粗细的木棍上，就只能看到一些毫无规则的字母。

趣味链接

有人通过破解密码显示才能，有人通过设计密码显示才能。1977年，数学家李维斯特给出了一个129位数，要求把这个数分解成两个质数的乘积，得到这个结果，就会发现隐藏的信息。其实这个129位数就是密文，分解质因数就是密码钥匙。李维斯特信心满满地宣称，算出他的密码钥匙，需要好多亿年。谁知17年之后，600名密码破解爱好者动用了1600台计算机，只用了6个月的时间就把李维斯特的密码给破解了，获得的信息是“挑食的秃鹰”。密码虽然被破解了，但人们还是很佩服李维斯特：他太厉害了，得600人联手，用1600台计算机，花了6个月才打败他！

量子通信是什么

传统的通信方式都需要介质，比如写信你得用信纸，打电话的信号得靠电磁波来传输。窃密者通常会侵入介质获得通信信息，在掌握了密文信息后，再通过计算获取密码钥匙，将密文破解成明文。凡是通过介质传送信息，必定无密可言，这种破解密码的方式通常被称为“截获”。

量子通信是不需要传输介质的，这是为什么呢？

科学家在1900年发现了量子这种微粒，进一步发现了量子纠缠现象。量子纠缠是这样的：一对量子甲和乙，甲携带的信息，可以瞬间在乙身上体现出来！不架天线，不铺电缆，信息可以在量子之间无形无影地传输，这事跟神话中的心灵感应似乎是一个套路呀！

是的，量子通信可以看作是神奇的心理感应术，信息的传输端和接收端之间不用连接实线，也不需要电磁波，信息来去很神奇。量子纠缠现象曾经被爱因斯坦浅显地描述为：两个物体之间，无论距离多远，都存在相互感应信息的天然魔力。

量子通信非常神奇，且非常安全，这又是为什么呢？

量子通信的一个特点就是加密速度极快，它可以给数之不尽的每一个信息片段加一个独立的密码钥匙。举个例子来说，如果把一次通话分割成100亿个信息片段来传输，则量子通信可以瞬间给这100亿个信息片段各加各的密码钥匙，这种加密方式被形象地称为“一次一密”。你可以想象，在通信过程中，信息源源不断，加密码钥匙源源不断，千变万化，间谍要破解这么多的密码钥匙，简直是比登天还难。一次一密带来了天量密码钥匙，让密码间谍从此失去饭碗！

有人或许会说，让计算机出场帮着计算嘛！

这主意不错，不过告诉你吧，现在的计算机虽然有超强的计算能力，但是它们面对无穷无尽的量子通信密码也是束手无策，算不尽呀！如果硬要一台计算机来破解量子通信密码，从理论上说也是可以的，但时间却需要数亿年，甚至是无限久。呵呵，计算机破解量子通信密码，时间是无限久，其实就是破解不了的意思呀！谁等密码能等上数亿年呢？

还有，量子通信不是不需要传输介质嘛，所以，间谍想在半路上截获信息的想法也破灭。

有人或许又要问了：你在半路上截不到信息，不会直接从传送端和接收端的量子上获取信息吗？

嗯，这想法似乎不错，但做法也行不通呀，因为量子还有一个特点：只要有人干扰它，想从它身上获得信息，它立马就改变原来的信息状态，把真实信息提前毁掉，让间谍一无所获。量子这种干扰即毁信息的特点，封死了间谍想从信息发送端和接收端获取信息的想法。如果有的间谍“不知趣”，非得要到量子那儿获取信息，那么信息接收方和信息发送方就可以从量子自毁信息的频率，判断是不是有人正在搞窃密，让间谍行为立马现形。这么说来，身负通信使命的量子，还是通信警察呀，只要间谍一来，它立即报警，让间谍无处遁形。

哎，在量子通信时代，间谍要么选择远离量子通信网络，要么掩耳盗铃却被人捉，间谍成了超高危无成果的职业，没有人能做得来了。

量子通信先靠一次一密的加密方式，把间谍淹没在密码钥匙的汪洋大海里，还会用自毁信息的方式报警，让仍旧执迷于截获信息的间谍无处藏身，基于这两点，量子通信就成了绝对安全的通讯方式。

科学探索

世界是运动的，但是宏观世界的运动规律和微观世界的运动规律并不相同。牛顿提出的物理学说解答了宏观世界的运动规律，但牛顿的学说一拿到微观世界来解答微观世界的运动规律就会“失效”。这种失效促使科学家努力寻找微观世界的运动规律，于是量子力学就产生了，量子力学是一门年轻的科学，它总共才有一百来年的历史。

英国有所谓的物理学家提出，人的灵魂是由大脑中的量子物质形成的，当人死亡之后，大脑微管中的量子信息会离开身体进入到宇宙，如果能阻止这些量子向宇宙中散失，就可以阻止人的死亡，如果能把散失在宇宙中的大脑量子收回来，人就能死而复生。量子科学有这么玄乎吗？人可以不死，可以死而复生，这类“量子理论”谁敢信呀！

为什么发射量子卫星

既然量子之间可以传输无限加密的第三者不可破解的信息，那就在地球上建设量子通信网络就行了，为什么还要发射量子卫星呢？

这得从目前量子信息传输的距离来解释这个问题。

甲量子向乙量子传送信息，理论上它们之间心灵感应的距离可以无限远，无论间隔多远，信息都能由甲传输给乙的。但事实上，量子在自由环境里（即地球表面环境），能量会衰减，衰减虽然不影响信息传递，但影响我们人类对信息的辨别，你想想，甲虽然最终把信息传递给了乙，但信号太弱，弱到目前我们无法辨识，不也是无用嘛。

量子之间信息传输距离是无限的，多远都能传到。但量子之间保持信息可辨认的传输距离却是有限的，太远了，它们之间有“对话”，但咱们却“听”不清楚了。

1977年，科学家利用量子传送信息，结果只让信息传送了数米远的距离。这个距离虽然很近，但是验证了量子传输信息的可能性。

随后，量子通信在“能”的基础上，不断进步，传输距离从最初的数米，发展到了可以传输16千米了：2010年6月6日，中国量子通信实验小组将信息传输了16千米的距离，创造了当时量子通信的新记录。

量子通信可传输16千米，但仍旧不能满足实用要求。于是在16千米的基础上，科学家们继续努力，要让量子通信的距离越来越远，可这个期望后来“破灭”了，因为科学家发现在自由环境中，量子通信距离存在一个极限，大约是100千米。100千米的传输距离虽然具有实用价值，但是要建设量子通信网络，需要在地面上每隔100千米建设一个传输基站。众多基站，会降低量子通讯的效率和安全性，因为信号需要不断在明文和密文之间多次转换接力，每个基站容易成为信息安全漏洞，所以大量建设基站支持量子通信的方案被认为不可行。

基站方案被否决之后，科学家就把建设量子通信网络的厚望寄托于量子通信卫星身上。量子卫星可以把量子信息传输的距离扩大到数千千米，三颗量子卫星就能满足在全球建立信号优良、安全无忧的量子信息通信网络，让信息高速安全地直达任意地方，所以说发射量子卫星是量子通信网络建设的关键节点，谁拥有了量子卫星传输技术，谁就掌握了全球量子通信网络建设的主动权。

中国发射的“墨子号”，是全世界发射的第一颗量子通信卫星，标志着中国将成为量子通信界的老大，在以后量子通信网络建设进程中，中国的话语权和支配权都将是至高无上的。别的国家见咱们有了量子卫星，都急红眼了！

全球首颗量子科学实验卫星为什么命名为“墨子号”。墨子是我国古代伟大的科学家，被称为“科圣”。他最早提出光线沿直线传播的理论，设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。用中国古代伟大科学家的名字命名量子卫星，为的是提升我们的文化自信。

主持建造“墨子号”的潘建伟教授是我国量子科学的领头人，1996年他到奥地利求学量子科学，导师问他的梦想是什么，他说要在中国建世界一流的量子物理实验室。仅过了一年，他就与同事合作发表论文，宣布在实验中实现了量子态隐形传输，这被公认为量子信息实验领域的开山之作，《科学》杂志将其列为年度全球十大科技进展。这一年，潘建伟仅27岁。后来，潘建伟回国开展量子科学研究，结果理解这门科学的人太少，什么隐形传输，什么大变活人的，他的研究项目被称为伪科学，本人则被误解为骗子。今天这个“骗子”终于可以向所有人说：看，一切都是真的！

量子传输的不仅仅是信息

目前这个阶段，中国发射的量子卫星，主要担负安全传输信息的实验任务。将来，量子卫星的任务不仅仅是传输信息，很有可能还会传输人。

什么？传输人！

是的，就是传输人。

前面我们说过，量子是微粒。可以把物体理解成是由量子组成的，也就是说物体可以分解成一个一个的量子，量子不但可以瞬间传输信息，而且可以瞬间传输量子。如果用量子传输信息，就叫量子通信。如果用量子传输量子，那么传输人就成为一种可能，这在魔术里叫大变活人吧。

我们用量子传输量子，就可以将魔术变成真实的科技项目。科学家在用量子传输信息的基础上，还开始研究如何把量子传输信息变成量子传输实物，这项研究被称为隐形传输。

隐形传输技术在科幻电影《星际旅行》中有体现：宇航员在特殊装置中平静地说一句：“发送我吧，苏格兰人！”他瞬间就被转移到外星球了。将来，量子机器很可能把科幻电影中的神奇情景变成现实，依靠量子传输实物的功能将我们发射到想去的星球上去。

尽管想要达到“发送我吧”这样的结果，我们还得等上一些年头，但量子隐形传输技术，终将带我们走进不可思议的量子传输情景中，很可能让我们瞬间到达我们想到达的任意地方。量子传输或许将是星际旅行的终极大法——因为，身体是由量子组成的，量子能够被瞬间传输，所以我们的身体，我们的生命也就可能被瞬间传输。

天呀，原来大变活人不只是魔术！

科学探索

量子有两个基本原理：第一个是量子纠缠，类似孙悟空和他的分身，二者无论距离多远都心有灵犀。当两个微观粒子处于纠缠状态时，不论分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应改变，这个原理可用来传输信息。第二个是量子叠加，就是指一个量子系统可以以不同形态在不同的位置出现，比如组成一只猫的量子系统，可以在A地表现出猫已死的状态，又可以同时在B地呈现猫活着的状态——这死而复生的原理，也是大变活人的依据。

量子大脑就是当今正在研制中的量子计算机。量子计算机的“算法”与人脑的运行方式有许多相似之处，甚至有些地方完全相同。因此量子计算机将会是与人脑非常接近或是完美一致的人工智能机器。有了量子计算机之后，机器与生物之间的界限将变得非常模糊，你的朋友如果是个量子机器人，那绝对是稀松平常的事。到时候机器人犯罪也会与真人一样要被收监判罪！

（编辑 孙世奇）