（30）量子通讯真的超光速了？量子隐形传态真的能瞬移粒子吗？

　　虽然在量子力学中还有很多的难题，比如量子纠缠，我们并不知道两个相互纠缠的粒子怎样保持内在的联系，还有量子的叠加态，我们无法想象处在叠加态中的量子是一个怎样图景。

　　但是这并不妨碍，我们利用它们为我们服务，就像是很少有人能知道汽车的工作原理，照样一脚油门都能飙车。

　　今天我们就说下，大家比较关心，也容易产生误解的三个最前沿的科技，量子保密通讯，量子隐形传态，量子计算机，这三项技术就直接应用到了量子的叠加态，量子纠缠，这两个量子力学中最神奇的现象。

　　先说，量子保密通讯。

　　在量子保密通讯中，最重要的就是保密两个字，把保密两个字直接给扔了，这万万不能。

　　因为丢了保密两个字，就跟这项技术彻底的背道而驰了，而且还容易让人产生误解，认为我们现在正在研制突破光速的通讯方式，尤其是在2017年我国发射的世界上第一颗量子通讯卫星“墨子号”成功的实现了从太空到地面的量子密钥分发。

　　不明白的人，还以为成功实现了天对地的超光速通讯。其实不然，就像我上面说的，并不是量子通讯，而是量子保密通讯，或者说具体点就是量子密钥分发。

　　这项技术只是用量子的测不准关系，以及叠加态原理，对信息进行加密的一种手段，说白了就是一种量子密码系统而已，实际上的信息传递，还需要依靠经典的通道来进行，依然受到了光速的限制。

　　再说量子密码之前，我们先了解下经典的密码系统，关于信息传递的保密技术由来已久，我们最熟悉的就是在谍战片中，看到的情形。

　　地下工作者，现在想给潜伏在敌人内部的同事传递信息，比如：今晚行动，这四个字，如果直接在纸条上写出这四个字，要是在中途，或者事后被人截获、发现，那后果就严重了。

　　所以就需要对“今晚行动”这四个字进行加密，这里说的加密，并不是把这个纸条放在盒子里锁起来，而是变换一种表达形式。

　　怎样变化？这就需要传递信息的人和接受信息的人事先约定好变换的规则，假如它们约定数字10代表了汉字今，6代表了晚，7代表了行，4代表了动，等等，它们还可以约定很多的数字，代表什么汉字。这个约定的变换规则就是密码本，或者说是密钥。

　　这样它们传递信息的时候，就只需要在纸上写一行数字：10、6、7、4，就可以了。把想写的话，变换成数字。

　　接收信息的人，通过密钥就能翻译出原文，这样就完成了一次保密通讯。这样的加密系统，也被称为对称密码系统，或者是私钥密码系统。

　　从私钥密码系统这个词就能看出来，这样的加密规则，只有接收方和发送方两个人知道密钥的形式，不过这种密钥形式很容易出现漏洞，然后被破解，例如，他俩在经过多次的通讯之后，窃听的人就能从中很快发现规则，破解他们的密钥。

　　而且当他们知道自己的密钥已经被破解以后，就需要再次约定新的密钥，而约定的新密钥在分发的过程中，还有可能被人窃取。所以这种私钥密码系统，安全性并不高。

　　所以就有了非对称密码系统，也就是公钥密码系统，也就是接收方先弄一个极难破解的专用密钥，这个密钥只有他自己一个人知道，然后根据这个专用密钥，再衍生出一个公开密钥，他就可以把这个公开密钥向外公布给所有人，任何人都可以用这个公开密钥把信息加密以后，传送给他。

　　接收到信息以后，他就可以利用自己的专用密钥，翻译出原文。公钥密码系统的优点在于，依靠专用密钥衍生出来的公开密钥，不怕被窃听，就是直接公开的，如果没有专用密钥，很难破解出原文。

　　不过，公开密钥系统的关键在于专用密钥，必须具有绝对的、无条件的安全性，才能保证整个密码系统不被破解。

　　这个问题好办，我们都知道，将两个质数相乘可以轻松地得到一个合数，但是想要将一个合数分解出它的两个质因数却比较困难，而且随着合数位数的增加，这个难度会呈指数级增长。

　　这就是“大数不可分解性”，我们将15进行质因分解会得到3和5，看起来很简单，这是因为15只是两位数，如果我让你分解10949769651859，懵了吧。

　　不仅你分解不出来，数学家它也分解不出来，因为目前对于这个问题没有一个有效的算法，只能一个一个质数去尝试，这就导致了就算是计算机来算也非常缓慢。

　　而且每增加一位数，所花费的时间就增加3倍，那么只要这个大数足够长，按照目前人类的算力，是无法破解的。

　　因此，我们就可以把两个质因数的乘积当作公开密钥，公布出去，把两个质因数当作专用密钥。这样就形成了一个安全性非常高的，目前看来无法破解的密码系统，这也是我们现在常有的加密术，称为RSA算法。

　　但是这样的加密算法依然有漏洞，上面说了，不能破解是因为计算机的算力不足，如果算力大大提高以后，不就威胁到现在全球的信息安全了吗？

　　没错，当量子计算机诞生以后，算这个轻而易举，因为量子计算机能够达到指数级的并行运行，也就是可以同时处理更多的运算，比如利用传统计算机分解一个250位的数，可能需要几百万年，但是量子计算机也许几分钟就完事了。

　　那为什么量子计算机的效率会这么高？

　　因为量子计算机的储存和逻辑门与传统计算机完全不同，在传统的计算机中，一个信息的最小单位就是一个比特，用0或者1来表示，比如让开关闭合，电子通过就代表1，开关断开，就是0。

　　现在计算机读取信息，获得了一组数字1010，这就是4个比特的信息，我们知道8个比特代表一个字节，1024字节代表1k，1024K为1兆，等等。

　　而在量子计算机中，传统的信息单元就变成了量子比特，那么什么可以作为一个量子比特？凡是具有两个量子态的系统都可以。

　　比如一个电子它具有的自旋属性可以处在向上和向下的叠加态当中，它就可以代表一个量子比特，如果我们现在约定自旋向上就代表1，自旋向下代表0，也就是说，一个电子比特可以传送两个信息。

　　而在经典计算机中，一个量子比特只能是1或者是0，也只能传递以一个信息。除了电子以外，圆偏振光子也会处在左旋和右旋的叠加态当中，所以它可以作为一个量子比特。

　　由于一个量子比特可以同时代表两种信息，所以在量子计算机中可以同时处理2^n个不同的运算。

　　假如我们现在有500个量子比特，那么它就可以同时进行2^500个运算，这是一个非常庞大的数字，因此利用量子计算机，再加上特定的算法，破解现在的RSA加密技术轻而易举。

　　不过，大家不要太过担心，感觉量子计算机威胁到了现在的信息安全，

　　目前量子计算机还只是一些躺在实验室里的原型机，它跟我们的通用计算机还相差很远，现在的量子计算机，只是在处理某些特定的问题上展现出了它的优势，也就是我们常听说的实现了量子优越性。

　　而且，就算有了量子计算机，我们的信息依旧安全，毕竟道高一尺魔高一丈，我们的量子加密系统已经走在了量子计算机的前面。

　　在量子密钥中，我们利用量子态对信息进行加密，比如单光子的偏振方向，比如垂直方向上的偏振代表信息0，水平方向上偏振代表信息1，如果在传输的过程中有人截取了这些光子，那么它在没有获得正确测量这些光子偏振方向的时候，只要对光子进行测量，就会改变光子的量子态。它不仅不能获得正确的信息，而且还会让发送者和接收者知道，光子的量子态被改变了，知道信息已经被窃取，放弃本次的通讯。

　　所以说，量子加密系统是利用物理基本规则的一种加密手段，也就是量子态的“一触即变”，跟计算机的算力大小没有任何关系，所以量子密码具有无条件的安全性，无法被破解。

　　我国的墨子号，就是实现了这种量子密钥，天到地之间的分发，分发的过程是以单光子技术来完成的，所以分发的速度也就是光速。

　　最后，我们说下量子隐形传态，这才是真正的量子通讯，不过只是在经典通讯的过程中，加入了一个量子通道，总体上来说，传输的速度还限制在光速。

　　虽然速度没有提高，但是这种通讯方式做到了可以以光速传递一个事物。这里需要注意的是，并不是把一个真实的物体，从空间A，以光速传递到了空间B，而是传递的是它的量子态，就好像是把这个东西，瞬间的传送到了遥远的地方，所以叫量子隐形传态。

　　比如在A点有一个电子1，我们现在想将这个电子1传送到遥远的地点B，那么我们首先就要在A点和B点之间搭建一个量子通道，这个量子通道就是两个相互纠缠的电子E1和E2。

　　现在在A点将电子1和电子E1进行某种关联，使得E1的量子态和电子1的量子态完全相同，那么这时候，处在B点的电子E2的量子态也就发生变化，因为E1和E2是两个纠缠的量子对。

　　但是这是B点的人，并不知道A点的人对电子1和电子E1做了怎样的关联，所以这时就要通过经典的通道，比如打个电话，A点的人告诉B点的人，它做了怎样的关联。

　　B点的人获知消息后，然后对E2进行相应的变换，就会使得E2的电子和之前的电子1拥有完全一样的量子态。那么这就像是实现了把电子1传送到了B点，其实是只传送了它的量子态。

　　所以，这项通信技术叫量子隐形传态。

　　这跟科幻电影中的瞬间传送并不是一回事，科幻电影的传送是瞬间的，而量子隐形传态需要借助经典通道来进行，科幻电影传送的是实物粒子，而这里传送的只是量子态。

　　那么量子隐形传态以后能不能现实，传送一个实物，比如一个人，把它身体内所有粒子的量子态传到到遥远的地方，然后再遥远的地方把这些具有和人相同量子态的粒子，在组合起来变成一个活生生的人。估计是无法实现，毕竟一个人不仅仅是由微观粒子组成的，我们还有说不清道不明的意识存在。

　　好了，说到这里，整个量子史话就结束了。希望能让你有所收获，我就心满意足了。