到底啥是“量子通信”

要了解到底什么是“量子通信”

讓我們從三個(gè)問題開始著手：

“量子通信”是干啥的？

為啥？

咋弄的？

“量子通信”是干啥的？

用最通俗的方式解釋就是

“加密”和“傳輸”

用專業(yè)術(shù)語叫“量子密鑰分配”和“量子態(tài)傳輸”

先說加密

為啥要加密？咋加密？

加啥蜜？好吃不？

因?yàn)槲覀儌鬏數(shù)男畔⒃诮橘|(zhì)中傳播時(shí)很容易被第三方竊取，所以我們要在發(fā)送的內(nèi)容中加入密碼，使得竊取者無法破譯內(nèi)容。接受者提前知道密碼的破解方法。而竊取者無法破譯內(nèi)容。

舉一個(gè)過時(shí)的例子，

比如二戰(zhàn)時(shí)德國軍方使用的

“恩尼格碼”機(jī)

恩尼格碼機(jī)內(nèi)置了多個(gè)轉(zhuǎn)子，每個(gè)轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)不同的26個(gè)字母，也就是說，只要發(fā)送者敲下一個(gè)字母就會(huì)出現(xiàn)26的N次方種可能，而其中規(guī)律只有德國軍方自己才知道，如果盟軍截獲了信息，靠人工推演，可能要花費(fèi)上萬年才能破譯。

以前的加密方法已經(jīng)這么安全，

那還要量子通信加密有什么用？

可是隨著人工智能的出現(xiàn)以及發(fā)展，

傳統(tǒng)的數(shù)字迭代式的加密方法（經(jīng)典密碼）會(huì)被計(jì)算機(jī)分分鐘破譯

偉大的阿蘭圖靈，將人工智能的概念用于密碼破譯，成功破解了“恩尼格碼”，提前結(jié)束了二戰(zhàn)，更為世人留下了寶貴的遺產(chǎn)——計(jì)算機(jī)

密碼分分鐘被破，怎么辦？

香農(nóng)，這位某種意義上說偉大程度已經(jīng)不亞于甚至超過他的遠(yuǎn)方親戚愛迪生的偉大科學(xué)家，提出一個(gè)解決辦法：

一次一密

簡(jiǎn)單說就是每一次發(fā)送信息都采用新的密鑰

每次都用新的密鑰，豈不是接受者也蒙圈？那么發(fā)送者就需要每次都把新的密鑰發(fā)送給接受者。

恩，穩(wěn)妥

這時(shí)候問題來了，密鑰在傳輸?shù)臅r(shí)候會(huì)被竊取�。�

我是一個(gè)小插曲

如果有人竊取我的信息，難道我發(fā)現(xiàn)不了嗎？

對(duì)，發(fā)現(xiàn)不了

我們都知道現(xiàn)在通信系統(tǒng)傳輸?shù)慕橘|(zhì)無非是光纖。

舉一個(gè)例子

S給B發(fā)送了一個(gè)名為m的密鑰，但是中間被A竊取，A拿到密鑰后又復(fù)制了一份繼續(xù)發(fā)送給B，B此時(shí)無法得知密鑰已經(jīng)被人竊取！但是A已經(jīng)可以在神不知鬼不覺的情況下進(jìn)行對(duì)信息的解密。

插完了

所以能否發(fā)現(xiàn)竊聽者成了解決通信加密的一個(gè)關(guān)鍵問題。

為了解決這個(gè)問題“量子通信”終于可以閃亮登場(chǎng)了！

隨即出現(xiàn)了開篇時(shí)的第二個(gè)問題：

為啥？

為啥量子通信可以幫助我們發(fā)現(xiàn)竊聽者？

首先讓我們回憶一下剛才S和B之間通信被竊聽時(shí)的情況

我們看到，當(dāng)A竊取密鑰時(shí)，首先要對(duì)密鑰進(jìn)行截取，然后復(fù)制，我們稱這個(gè)過程為測(cè)量、復(fù)制，那么有沒有一種東東是一旦被測(cè)量我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)呢？

有！

不但有，而且有人對(duì)這一特性設(shè)計(jì)了一個(gè)理想模型，這個(gè)人就是——薛定諤

這個(gè)理想模型就是“薛定諤的貓”

這只可能是世界上最慘的貓被關(guān)在一個(gè)封閉的鐵箱子里，鐵箱子里有一個(gè)裝著放射性元素的儀器，同時(shí)這個(gè)儀器連接著一個(gè)錘子，一旦放射性元素發(fā)生衰變，釋放出α元素，錘子就會(huì)落下，擊碎一個(gè)裝滿氰化物的毒氣瓶，毒氣釋放，貓咪必死無疑。

放射性元素早晚都會(huì)衰變，我們都知道放射性元素有半衰期，但具體什么時(shí)間衰變沒有人知道，也就是說沒有人知道這只貓什么時(shí)候死，什么時(shí)候活，除非打開箱子看，也就是說只要不打開箱子，這只貓就處在一種既活著又死了的狀態(tài)，半死不活！

我們把貓咪的這種狀態(tài)叫做：

“量子疊加態(tài)”

也就是既“活”又“死”的疊加態(tài)

那我打開還不行么？小咪咪好可憐

如果打開箱子對(duì)貓的死活進(jìn)行驗(yàn)證，也就是進(jìn)行測(cè)量，那么貓的那種“量子疊加態(tài)”，既活又死、半死不活的狀態(tài)就會(huì)轟然坍塌，因?yàn)橐坏┠愦蜷_盒子得到的結(jié)果要么是“活”，要么是“死”，未知的生死的疊加態(tài)將難以還原復(fù)制

這種現(xiàn)象叫“波函數(shù)塌縮”

我們一旦對(duì)薛定諤的貓進(jìn)行測(cè)量，就會(huì)改變實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臓顟B(tài)，波函數(shù)就會(huì)塌縮，這不正是我們想要的特性么？

——只要測(cè)量就會(huì)被發(fā)現(xiàn)

那什么東西才滿足這樣的特性呢？

我不能拿貓去做通信媒介吧？

答案不言而喻，那就是“量子”

不甚嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹v，所謂“量子”者，“小丟丟”也

我們把原子、中子、質(zhì)子、電子、光子這些個(gè)微觀粒子都可以統(tǒng)稱為“量子”

第三個(gè)問題

咋弄的？

為啥量子就有這個(gè)特性？

怎么利用的這個(gè)特性呢？

還加密了你咋不上天呢？

打個(gè)比方，我們把量子看成在做高速震動(dòng)的球，因?yàn)檫@個(gè)球很小，震動(dòng)的速度又很快，所以我們無法知道這個(gè)球某個(gè)時(shí)刻點(diǎn)在具體的什么位置（測(cè)不準(zhǔn)原理），但是，我們可以知道這個(gè)球震動(dòng)的方向和規(guī)律，也就是量子偏振的向量

大概就是這個(gè)樣子，量子震動(dòng)的方向有垂直、水平、逆時(shí)針45度、順時(shí)針45度，四種情況。

那么在測(cè)量這四種情況的時(shí)候我們就可以利用互相垂直的測(cè)量基，你可以簡(jiǎn)單的把它理解成互相垂直的通道，長下面這個(gè)樣子

大家可以試想一下，上下垂直震動(dòng)的球球可以順利的通過十字的測(cè)量基，斜45度垂直震動(dòng)的球球都可以通過×狀的測(cè)量基。那不就達(dá)到測(cè)量的目的了嗎？

等一下！

那如果↑↓震動(dòng)的球球通過X狀的測(cè)量基會(huì)發(fā)生什么情況？

答案是：測(cè)量會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)改變，也就是量子偏振方向會(huì)發(fā)生改變

舉一個(gè)不恰當(dāng)?shù)�非常生�?dòng)的例子

這個(gè)人擺了一個(gè)十字造型，但是他要通過下面這個(gè)形狀的門

沒辦法，他只好把身體的造型改成：

也就是說：

這個(gè)人就是具有偏振的量子，而這個(gè)大字門就是測(cè)量基。

那么再看量子的測(cè)量

如果一個(gè)↑的量子通過X形狀的測(cè)量基，那么↑的狀態(tài)就會(huì)被改編為50％↗

和50％↘

也就是說一旦發(fā)生錯(cuò)誤的測(cè)量，那么量子的狀態(tài)就會(huì)被改變！

此時(shí)如果出現(xiàn)竊聽者，竊聽者不可能百分之百用對(duì)的測(cè)量基對(duì)量子進(jìn)行測(cè)量，那么只要用到錯(cuò)誤的測(cè)量基，那么量子的偏振態(tài)就會(huì)發(fā)生改變！

也就是說只要有竊聽者想偷取密鑰，那么他必須先對(duì)量子進(jìn)行測(cè)量讀取，一旦他對(duì)量子進(jìn)行測(cè)量，就會(huì)對(duì)量子的狀態(tài)進(jìn)行改變（這就是我們之前說到的波函數(shù)塌縮），那么量子的狀態(tài)一旦改變，接受者就會(huì)很容易發(fā)現(xiàn)竊聽者的存在，從而進(jìn)行應(yīng)對(duì)。保障信息的絕對(duì)安全！！

我們的問題終于解決啦！

小小總結(jié)一下

量子通信干啥的

答：加密和傳輸

為啥要用量子通信加密？

答：因?yàn)閭鬏斆荑�時(shí)可能會(huì)被竊聽，而竊聽者又無法被發(fā)現(xiàn)。

那量子通信為啥就能發(fā)現(xiàn)竊聽者

答：因?yàn)榱孔右坏┍粶y(cè)量，狀態(tài)就會(huì)改變（試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱Χㄖ@的貓），竊聽者就會(huì)被發(fā)現(xiàn)

等等，不是說量子通信還可以傳輸嗎？（量子態(tài)傳輸）

欲知后事如何，且聽下回分解