《量子力学原理（第4版）（注释版）》(狄拉克（P.A.M.Dirac）)【摘要 书评 试读】- 京东图书
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量子力学原理（第4版）（注释版）
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09版:军事周刊
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& & 往期回顾 & && &&&
重视量子信息技术的武器化
袁艺 徐文华 辛超
中国青年报
&&&&自军事通信使用密码技术以来，各国军队在这个没有硝烟的寂静战场上，展开了激烈的“密码战争”。&&&&二战中，美军打赢中途岛海战，以及击落山本五十六座机，都与破译了日军密码有关。一些专家甚至认为，盟军在密码破译上的成功使二战至少缩短了8年。&&&&其实，无论战时还是平时，各国军队围绕密码破译与反破译的斗争从未停歇。但近年来飞速发展的量子信息技术正在改变密码战的基本面貌。&&&&上世纪70年代，英国和美国最早开始研究量子计算理论。近年来，相关理论和实践都取得重大进展，产生了多种新的量子算法，研制出多种量子计算机原型。&&&&最近有媒体报道，根据斯诺登曝光的文件，美国国家安全局正在研发一种用于破解密码的量子计算机，但目前仍处于初级阶段，尚未实现重大突破。&&&&量子理论完全不遵从于人们熟悉的经典物理学定律，非常抽象艰涩和难以理解。但以量子力学为理论基础发展起来的量子信息技术一旦走向成熟和应用，将对人类社会信息化进程产生不可估量的影响。&&&&在密码学领域，量子信息技术衍生了量子密码和量子计算，前者从理论上提供了一种不可截获和破译的绝对安全的新型密码体制，后者极其强大的并行计算能力可以轻易破解基于数学问题的经典密码体制。&&&&量子计算的原理与传统计算机采用的原理有很大不同。传统计算机采用单路串行操作，而量子计算机采用多路并行操作，运算N个量子位的量子计算机，一次操作就相当于传统计算机2的N次方操作。&&&&量子计算机采用专门的量子破译算法，可以轻易破译目前普遍采用的基于数学问题的非对称密钥系统生成的密码。&&&&面对量子计算未来可能随时“秒杀”传统密码的危险，科学家们致力于寻找不基于数学问题，能有效抵抗量子计算攻击的新型密码体制。&&&&解铃还需系铃人，同样基于量子信息技术的量子密码应运而生，成为对抗量子计算的“神器”。&&&&量子密码利用量子态不可复制的特点，来解决密钥分配的安全问题。&&&&其原理是甲方利用量子通信把密钥发送给乙方。如果在甲乙双方传送密钥过程中，有窃听者丙方企图经由探测来窃取密钥，必定会破坏粒子的量子态，从而产生误码，甲乙双方通过抽样对比就可以确认该密钥是否被窃听过。&&&&当证实密钥未被窃听后，再用这个密钥来实施“一次一密”的办法进行加密。因此，量子密码具有绝对安全性，它在军事上拥有广泛用途。&&&&当前，战场网络已成为联接人与武器、武器与武器的技术纽带，构成了信息化军队的神经中枢。侦察预警、指挥协同、武器控制、后勤保障等作战活动均离不开网络的支持。而战场网络的安全又依赖于网络通信密码提供的“安全屏障”。&&&&一个国家的军队一旦率先实现量子密码和量子计算的武器化，并在战争中突然投入使用，将与对手形成巨大的“技术差”。&&&&它可以在保持自身网络通信绝对安全的同时，能够随时破译对方网络通信密码，洞悉对手的一举一动，从而占据“以明打暗”的绝对信息优势，甚至可以直接瘫痪和控制对方网络。&&&&目前，发达国家军队已把量子信息技术作为引领未来军事革命的颠覆性、战略性技术。&&&&比如，美国防高级研究计划局专门制定了“量子信息科学和技术发展规划”、研发量子芯片的“微型曼哈顿”计划等。&&&&美军还在加速推进量子信息技术的实际应用。2003年10月，美军就开始运行实验性量子密钥分发网络。目前，白宫和五角大楼已安装使用了量子通信系统。英、法、德等国军队也相继制定实施了一系列发展量子信息技术的计划。&&&&我国在量子信息技术方面与发达国家差距并不大，基本上处于同一起跑线，在某些技术领域还处于国际领先地位。因此，我们应加大量子密码和量子计算的基础理论、关键技术和核心设备的研发力度，加快推进其实际军事应用。&&&&面对量子信息技术的机遇与挑战，只有未雨绸缪，尽早规划，提前部署，多手应对，才能在未来战争中占据先机和主动，避免对手利用技术突然性陷我于被动。&&&&（作者单位：军事科学院）
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揭秘谷歌可能改变世界的秘密武器
虎嗅注：谷歌要用量子力学的法则建造一款计算机。人们会问：它要快上一千倍吗？还是要快上百万倍？“量子计算机不仅仅是我们所熟悉的那种计算机的更快速版本，它是一种从根本上全新的利用自然进行运算的方式。”而快慢则完全取决于如何应用。&转载自微信公众号“华尔街日报·派”（wsjpie），作者：Jack Nicas，摄影：Spencer Lowell。&哈穆特·奈文(Hartmut Neven)相信存在平行宇宙。最近有一天上午，在谷歌公司(Google)洛杉矶办公室外，这位53岁的计算机科学家向记者介绍了量子力学（原子和粒子物理学）如何支持所谓的多元宇宙论。奈文指着摆放在他与记者之间的录音设备称：“我们所看到的只是该设备的一个经典形态，但在我们目前无法感知的某个地方，该设备还以其他的形态存在。”据奈文称，这不仅适用于录音设备，而是适用于所有实体物件。他表示，即使像人类这样的系统，在平行宇宙中也存在人类所有个体的一个不同形态。&操着浓重德国口音、喜欢穿粉色克里斯提·鲁布托(Christian Louboutin)牌铆钉鞋的奈文主导了谷歌一些最具开创性的项目，包括图像识别软件和谷歌眼镜等。尽管没有在消费市场上取得成功，但谷歌眼镜开创了头戴式计算机的先河。奈文面前的任务可谓他职业生涯中最复杂的任务：根据量子力学的奇特法则建造一款计算机。什么是量子力学？目前还没有关于量子力学的简短解释，但《Cliffs Notes》上的解释是这么说的：科学家已经证明原子可同时以两种状态存在，这种现象叫做态叠加。举例而言，单个原子可以同时出现在两个位置。&态叠加效应随着尺度的放大会变得更加不可思议。由于一切物体都是由原子组成的，一些物理学家推测，所有物体都能以多维形式存在，就像奈文说的，存在平行宇宙的可能。&即使爱因斯坦也无法理解这些。这位诺贝尔物理学奖获得者说，支撑量子力学的概念从根本上存在缺陷。而在他之后，科学家已经反复并且确凿地证明了这一理论。&在谷歌位于加州圣巴巴拉的实验室里，该公司娇贵的量子芯片被冻存于悬空的低温恒温器里&这些原理是下一场计算革命的依据。在加州圣巴巴拉郊外一个堆满冲浪板、潜水服和原声吉他的小实验室里，奈文与20多位谷歌物理学家和工程师正在利用量子力学原理建造一台可能有惊人力量的计算机。一台可以信赖的大型量子计算机可能颠覆从人工智能到化学的很多行业，加快机器学习以及新材料、化学品和药物的研制。&“如果研发成功，量子计算机将会改变整个世界，改变事物的运作方式。”物理学家、硅谷风险投资公司安德森·霍洛维茨基金(Andreessen Horowitz)合伙人、维贾伊·潘德(Vijay Pande)说。其公司投资了量子计算初创公司Rigetti Computing。&其他一些人，尤其是学者，所持的观点则有所出入。&得克萨斯州大学奥斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)表示，“量子计算机不仅仅是我们所熟悉的那种计算机的更快速版本。它是一种从根本上全新的利用自然进行运算的方式。人们会问，‘它要快上一千倍吗？还是要快上百万倍？’这完全取决于如何应用。它有可能在短短一分钟内解决我们用经典方法永远也解决不了的问题。而在其它类型的测试中，量子计算机给你带来的助益甚微，或者完全帮不上忙。”&量子计算机时代何时到来？近30年来，这些机器一直被认为仅属于科幻范畴。在现实中，可靠、且能大规模投入使用的量子计算机何时才能出现？就在几年前，各界的普遍预测是20年后，甚至永远不会出现。&Isara Corp.公司CEO斯科特·托茨克(Scott Totzke)说，“现在没人再说量子计算机永远都不会到来了。我们仍处在非常，非常早期的发展阶段，但这早已不是科幻了。”Isara Corp.是一家在研发量子计算机安全加密方案的加拿大公司。&全球企业和大学正竞相打造这类计算机，Alphabet Inc.的子公司谷歌似乎走在了前沿。明年年初，谷歌的量子计算机将面临决定性考验，它将解决一道一台传统计算机需要花费数十亿年才能解开的难题。如若成功，将意味着“量子霸权”的建立，这是量子计算机以往无法跨过的一道门槛。计算机科学家称，这将是一个里程碑，标志着计算机新时代的到来，以及所谓的“古典时代”的终结。&谷歌的这些64平方毫米芯片是是全球目前最先进的通用量子计算机量子计算机的原理经典计算机，比如你的笔记本电脑或者手机，以比特(bit)为单位存储和处理信息。每比特的值要么是1，要么是0。比特可用被称作晶体管的微型电路来表示。对于你的iPhone来说，指尖的每一次触控，镜头下的每一次自拍，都只不过是由“1”和“0”组成的一个长序列。&量子比特(qubit)利用叠加同时以两种状态存在——实际是就是同时以1和0存在。在经典计算机中，比特就像是硬币，要么显示正面要么显示背面。而量子比特则像是被抛在空中的、不断旋转的硬币，同时显示正反面。&这种动态让量子比特能够较经典比特编码和处理多得多的信息，以至于计算机科学家称，时下性能最强大的笔记本电脑在量子计算机面前就像是算盘。理论上，一个占据数个城市街区的数据中心的计算能力，一个句点般大小的量子芯片就能实现。&那种潜力是指数式增长的结果。增加一个比特，对于经典芯片的计算能力的提升微不足道，但增加一个量子比特，则可让量子芯片的计算能力翻一倍。300个比特的经典芯片大概可以驱动一个基本功能的计算器。但300个量子比特的芯片，其计算能力则达到惊人的2乘以10的90次方比特——那是一个超过宇宙原子总数量的数字。 &量子计算机&vs.&经典计算机&经典计算机采用比特这一信息量单位，用“1”或“0”来记录所有的信息状态。而量子计算机使用量子比特，这种单位能够同时是“1”和“0”。这让量子比特在特定任务中能够处理比比特多得多的信息——尤其是在多任务结合的时候。每增加一个量子比特，量子计算机的运算能力就能翻一番，这种指数式增长可催生强大得多的规模化机器。制图：Todd Detwiler但这种对比仅适用于特定的运算任务。拿比特和量子比特比较不是易事，因为量子计算机和经典计算机是截然不同的两种机器。不同于经典计算机，量子计算机不会对一个问题的所有潜在解决方案进行测试。相反，它们利用算法来剔除导向错误答案的路径，仅留下导向正确答案的路径——那些算法仅适用于解决特定的问题。这使得量子计算机不适用于进行日常上网等用途，因此别指望会出现量子iPhone。但它们能够做的是，解决特定复杂到难以想象的问题，如合成新分子来设计更加轻盈的飞机部件、更加有效的药物和更好的电池。&量子计算机也存在错误率高的问题，因此部分科学家和数学家质疑它们的可靠性。谷歌和其它的公司称该问题可通过纠正错误的算法来解决，但那些算法需要更多的量子比特来检查进行运算的量子比特的工作。有的专家估计，检查单个量子比特的工作将需要额外增加100个量子比特。&有点懵？不只有你一个人如此。微软联合创始人比尔·盖茨最近接受《华尔街日报》旗下杂志“WSJ. Magazine”采访时称，公司的人给他展示幻灯片时，量子计算项目是他真正没搞懂的部分。&曾获得诺贝尔奖的理论物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)说，“我想，可以说几乎没有人能够理解量子力学。”&费曼是最早提出量子计算机概念的人之一。1981年，他在一次演讲中说，模拟物理学将需要基于自然或者量子力学的计算机。“糟糕的是，自然并不经典，”他说道，“如果想要模拟自然，那你最好利用量子力学。”量子计算机研发难在哪儿？在之后的20年里，研究人员尝试打造费曼所设想的那种机器，但没有取得成功。量子比特被证明非常脆弱、多变。它们只能够将叠加状态维持几纳秒，即十亿分之几秒。而只有在叠加状态下，它们才拥有大规模运算能力。近乎感觉不到的细微温度变化，甚至空气的单个分子，都有可能让它们脱离那种状态。&“这有点像是试图让鸡蛋在针尖上保持平衡，”IBM量子计算机科学家杰瑞·周(Jerry Chow)在演讲中说，“你肯定能够做到，但一旦噪声、热量或者震动带来哪怕一丁点的干扰，也会让它搞砸。”&在过去的五年间，科学家们在量子计算机所需的平衡技术上取得了巨大的进步。资本随之大量涌入，谷歌、微软、IBM、英特尔等公司都在进行相关项目，来自潜在客户的兴趣也应声增加。&大众汽车正在测试由加拿大公司D-Wave Systems Inc.生产的量子计算机。这两家公司3月份表示，他们利用北京1万辆出租车上的GPS数据编制了一套算法，能够计算出抵达机场最快、交通最顺畅的路线。D-Wave称，一台传统计算机需要花费45分钟才能完成这项任务，但其量子计算机只需远不到1秒。&这样看来D-Wave似乎已经胜出，但该公司售价1,500万美元的2000Q型量子计算机只适用于范围很窄的数据分析，包括前面提到的大众汽车的测试。尽管2000Q拥有2,000个量子比特（科学家警告说，这个数字不应拿来与通用量子计算机作比较，比如谷歌的量子计算机），但还没有达到量子霸权的地步。D-Wave总裁Bo Ewal表示，设计2000Q的初衷并不是用它来找到最优方案，而是在短期内找到一个足够好的方案。拥有超能力的双刃剑并非所有人都热切期盼精确的巨型量子计算机的到来。从信用卡交易到即时信息等一切事物的加密都是由一种因数分解的算法（即反向乘法）完成的。一个非常庞大的数字（比如长度达到几百位的数字）可以作为加密数据的锁，而这个数字的两个质因数则是钥匙。所谓的公钥加密被用来保护健康档案、在线交易和大量其他敏感数据，因为一台传统计算机要想找到这两个质数将花费数年的时间。但在理论上，量子计算机几乎可做到“立等可取”。&企业和政府正在忙着为一些人口中的量子元年(Y2Q)做准备。在量子元年，一部精确的大型量子计算机将问世，一些专家预计那将是在2026年前后。届时，人类守护最严密的数字秘密可能变得不堪一击。&去年，美国国家安全局(NSA)发布命令，要求美国国家安全职员和供应商必须要在“不远的将来”改造他们的加密系统，以防范量子计算机带来的威胁。由于国家安全信息必须要被保护数十年，该机构称新加密系统必须要在这些机器到来之前落实到位。该机构警告称，不然，可破译密码的量子计算机会对国家安全产生“毁灭性的影响”。&政府不仅仅在打防御战。据《华盛顿邮报》报道，前NSA雇员斯诺登2013年泄露的文件显示，作为8,000万美元的研究项目“攻坚”(Penetrating Hard Targets)的一部分，NSA正在开发自有的量子计算机。目前还不清楚NSA取得了多大的进展。该机构拒绝置评。&量子计算机竞赛的主要推动力是其颠覆整个行业的潜力。专家们认为，量子计算机近期最大的希望是为机器学习、人工智能以及相关行业注入超能力。机器学习和人工智能是当前迅速发展的两个领域。谷歌的奈文称，他预计10年内所有的机器学习都将在量子计算机上进行。&今年早些时候，这场商业竞赛急剧升温。5月，IBM发布一款16个量子比特的芯片，这对通用型量子计算机来说具有里程碑的意义。之前一天，一个行业组织发表了对谷歌量子硬件主管约翰·马丁尼斯(John Martinis)的采访。马丁尼斯在采访中不小心透露了谷歌有一款22个量子比特的芯片。显微镜下拍摄的谷歌64平方毫米芯片图中，可以看到该公司巧妙的品牌宣传：该公司的名称Google出现在底部走进谷歌量子计算机实验室目前，谷歌的芯片被冷冻存放于该公司圣巴巴拉实验室内一个被称作低温恒温器的精制大桶里。该看似闲适的实验室位于洛杉矶，是奈文领带的量子项目的基地。里面有乒乓球桌和各式各样的手鼓，整个空间感觉就像是附近加州大学圣巴巴拉分校校园的一部分。办公室负责人马丁尼斯是该大学的物理学教授，他的很多雇员都是研究生。&最近的一个下午，两位刚从加州大学圣巴巴拉分校获得博士学位工程师丹尼尔·赞克(Daniel Sank)和阿米特·温森彻(Amit Vainsencher)带我去看位于该实验室一个角落的闪闪发光的低温恒温器。他们梳着卷发马尾鞭，模样甚是休闲。由于受到再轻微的干扰，微粒也会脱离叠加状态，量子计算机必须要与外部世界完全隔绝开来。该低温恒温器的高导磁合金外壳可阻隔地球的磁场，它上面贴着一条保险杠贴纸，写着：“我的另一台计算机是经典型的。”&一个表面布满霜的容器被置于低温恒温器附近，容器中的压缩氦和液态氮可将恒温器内部的温度保持在-459.6华氏度（-237.5摄氏度），该温度仅比最低的绝对零度高一点，这给谷歌的量子比特进行运算创造了所需的超导条件。“如果你晃动这个架子，你可以看到温度计的读数上升。”温森彻说，随后摇了摇将低温恒温器悬在空中来限制震动干扰的支架。他接着说，“我或许不该这么做。”&该装置如此错综复杂、昂贵，这意味着谷歌和它的同行很可能将在云端出售量子计算，可能会按秒计费。&目前，奈文和他的团队在南加州紧锣密鼓地完成49个量子比特的芯片。他们希望该芯片将开启量子霸权以及一个新的技术领域。在这个领域里，计算机利用的是复杂到无法想象的自然法则，而不是将世界转变成“1”和“0”。&奈文说，“这台计算机里面没有晶体管。它是一个全然不同的猛兽，是多元宇宙的原住民。”
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尖端科技背后的故事
量子通信是基于量子力学基本原理的前沿技术。近年来，以潘建伟团队为代表的中国科学家在量子通信领域取得了举世瞩目的重要科研成果，在尖端科技发展的过程中，我国科学家都经历了哪些不为人知的挫折和磨难？尖端科技的背后又隐藏着怎样的技术难题？
潘建伟介绍说，在量子通信技术的研发过程中，单个光量子的制备和探测是主要的两个技术难题。首先，制备单个光量子的技术难题。潘建伟举了一个非常形象化的例子来解释这一关键技术的难度：一个普通的十五瓦左右的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可以达到百亿亿个，想要实现单个光量子的制备就如同在这百亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个，技术难度可想而知。另一个难题是单光子的探测。单个光子已经是光能量的最小单元，能量是非常微弱的，需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测的能力后，我们就可以用来实现安全的量子通信了。
量子信息的应用除了实现无条件安全的通信外，还可以带来计算能力的飞跃，这就需要第二种能力，把一个个的单量子纠缠起来。量子计算机的能力是随着纠缠粒子数目呈指数增长的，比如有100个粒子的纠缠，每个粒子可以处于“0”和“1”的相干叠加，100个纠缠的粒子就可以同时处于2100个状态的叠加，这就相当于同时对2100个数进行操纵，计算能力就大大提升了。把一个个粒子纠缠起来需要对它们之间的相互作用进行精确的控制，同时还要保证克服环境的干扰。潘建伟团队通过一种名为“光晶格”的实验装置来成功攻克了这一技术难题，而“光晶格”捕捉单个原子的技术原理就如同把鸡蛋逐个放入蛋槽的过程，每个光晶格中只能容纳一个原子，再人为控制这些原子的相互作用，使得它们纠缠起来。虽然现在的技术水平已经发展到可以操纵数百个原子，但是想要实现数百个原子之间的量子纠缠态还有很长的路要走。潘建伟解释说，如果能够将几百个原子纠缠在一起，就可以演示量子计算机的基本功能了。
奥地利——梦开始的地方
据了解，此次“墨子号”量子通信卫星包含了国际合作任务，并且选择了奥地利作为首个国际合作伙伴。为何偏偏选择奥地利？这还要从潘建伟的求学经历说起。
在中国科学技术大学学习期间，潘建伟第一次领略到量子世界的奇妙。但随着研究的深入，他越发意识到量子理论中的各种奇特现象需要更加尖端的实验技术和条件才能够得到验证，而当时国内在这方面还相对落后。于是1996年潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学，师从奥地利物理学家AntonZeilinger攻读博士学位。那时Anton Zeilinger教授已经建立了量子实验室，并且是量子物理学领域的国际权威。在这里，潘建伟和同事们完成了国际上首次实现光子的量子隐形传态的实验，这被认为是量子信息实验领域的开端。此后几年内，潘建伟和同事们又先后实现了一系列量子信息领域的先驱性实验，这些宝贵的经历为以后潘建伟在量子通信领域的突破性贡献奠定了坚实的基础。潘建伟对奥地利的特殊感情还不止于此。潘建伟在奥地利求学期间，一直得到了奥地利外交部和学术交流机构的资助。博士毕业后，潘建伟又继续在维也纳大学实验物理所从事博士后研究，而维也纳大学正是薛定谔等量子力学的奠基人工作过的地方，无疑是量子力学的“圣地”之一。
所以，当昔日的老师主动提出加入到我国的量子卫星计划中来的请求后，顺理成章地，奥地利就成了量子科学实验卫星项目的第一个国际合作伙伴。潘建伟提到，量子科学实验卫星会向全世界开放，在奥地利之后，德国、意大利、加拿大等国的团队也主动请求加入。
追寻量子通信发展的轨迹&
潘建伟曾经在接受采访时谈到，作为量子通信领域的技术强国，中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。回顾中国量子通信领域的发展历程，成绩的取得当然离不开先辈科学家们孜孜不倦的奋斗与拼搏。
潘建伟表示，我国在量子通信领域的研究起步较早，在上世纪90年代初就有如郭光灿院士、张永德教授等老一辈科学家对该领域发展的密切关注，并且中国科学技术大学已经发表了一些该领域的文章。潘建伟强调说，中国量子通信领域之所以能够发展到今天这一步，与当时中科院与时俱进的敏锐眼光密切相关。比如，在他2001年回国组建实验室时，一切都是从零开始。当时向中科院申请了200万经费，而当时的中科院基础局却拨了400万。在中科院的重视和支持下，实验室的发展速度非常快，很快就有了一批由中国人完成的量子信息领域的重要成果。在那之后，从2004年起，中科院的支持力度又进一步加大。同时，国内其他团队也发展起来了。从2005年的时候，国家的重大研究计划也开始注意到了量子调控，当时在中科院物理所的于渌院士、南京大学的闵乃本院士等建议下，量子调控成为国家重大研究计划的内容，到目前这一计划已经执行了十余年。正是由于国家的重点扶持，我国的量子通信技术才得以快速发展。近年来，中科院启动量子卫星项目，国家发改委启动“京沪干线”项目，为量子通信技术实现跨越式的发展注入了长足的动力。但同时潘建伟也表示，欧美等国家也相继启动了包括量子通信在内的量子专项计划，政府也给予了大力支持，所以我国在未来能否持续抢占量子通信领域的领跑地位，还需要不断创新不断前进。
量子通信是目前为止唯一被严格证明可提供无条件安全的保密通信手段。随着我国发射全球第一颗量子实验卫星以及 “京沪干线”的建成,都将奠定中国在量子通信领域的领跑地位。目前，在量子通信领域，无论是科学研究还是实际应用，我国都已处于世界领先水平，我们也期待着，量子通信从理论到实验再到实践的完美蜕变。
量子通信是什么？
日凌晨1时40分，在一片震耳欲聋的轰鸣声中，一架长征二号丁运载火箭正喷出闪亮的火舌，从酒泉卫星发射中心的发射塔架上一飞冲天。
　　这意味着由我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射，除了用这枚卫星进行一些科学实验外，还将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。这也将是跨度最大、史上最安全的通信网络。
　　提到“量子”一词，大多数人想到的可能是玄之又玄的量子物理，以及爱因斯坦那句著名的“上帝不掷骰子”的断言。在我们的过往印象中，量子物理经常与“不确定性”、“测不准”等词汇联系在一起，然而我们又知道，通信最重要的就是稳定、安全、可靠。那么，量子与通信，表面上互相矛盾的两个东西是如何联系到一起的呢？要了解这一点，我们还是先从传统通信为什么需要“量子”说起吧。
传统通信的局限性
　　众所周知，密码这东西现在已经充斥了我们的生活。像网购转账、登陆微信，甚至在我们看不见的信息传输途中，都需要用到密码，因为它能保证通信和交易的安全。不过，有了加密，就有破解密码的人，这对死敌的角力始终贯穿在我们整个通信的历史中。尤其在战争年代，解密的成功与否甚至足以影响最终的战局。在二战期间，美军正是因为破解了日军电报的加密方式，从而掌握日军高层的行踪，最终成功击杀了其海军总司令山本五十六，为太平洋战争的获胜奠定了基础。除此之外，直接窃听和截获信息也是很常见的泄密方式。如电影《窃听风云》讲述的正是通过窃听他人通信而发生的一系列故事。
　　人们一直在想，是否存在一种安全传输信息的方法呢？我们可以总结一下，“使通信保密”的思路其实有两种。一种是物理加密，比如在A和B之间拉一条专线，专线中间布满岗哨，任何想截获信息的间谍必须在光缆上做手脚才能窃听，而这必然会被哨兵拿下。在这种确保安全的信道中，我们甚至无需对信息加密，直接用明文交换信息就可以了。但是，用物理隔离的方法终究不现实，它的效率低，成本高，距离有限，只有少数重要且有条件的岗位才用得起这种方式。
　　另一种是信息加密，就是把封装信息加上密码后通过公共信道传递，这相当于把它放在一个带锁的小箱子里进行运输，沿途就算被人截留了也没关系，因为只有对面拿到钥匙的人才能打开箱子，从而获取信息，这种做法就是我们目前常用的传统加密方式。
　　只是现有的密码体系还是通过增加计算复杂性来保证安全。例如应用最广泛的密码算法RSA，用的是两个非常大的质数的乘积来建立密钥。众所周知，对于两个大质数乘积进行因式分解，除暴力穷举外并无更好的方式。资料显示，用现有最快的传统计算机对一个500位的RSA密钥进行穷举破解，耗时将达到百亿年——几乎等于不可破解。
　　但从理论上讲，只要有足够先进的计算机，任何有限长度的密码都可以被破译。随着计算机技术更新迭代，接下来可能出现更快更强的计算机，比如研发中的量子计算机等。在那时候，如果无法升级出对应的加密方式，那么原有的密码将不再安全，金融系统和个人隐私等领域都将彻底陷入混乱。
　　面对未来可能出现的困境，人们需要找出新的加密手段。此时，量子物理的发展为人们带来了新的思路。
从量子货币到量子保密通信
　　20世纪初，量子物理学取得了长足发展。在物理学家不断刷新对量子力学认知的同时，当时的密码学家忽然意识到一个问题：利用量子不可分割、不可复制的特性，人类是否有可能发展出一种永不陷落的安全体系？
　　20世纪60年代末，美国哥伦比亚大学的斯蒂芬·威斯纳（Stephen Wiesner）提出了在今天看来仍十分超前的量子货币概念。量子货币的理论基础是“海森堡不确定性原理”及其推论“不可克隆定理”。用通俗的话解释，他打算在钞票上放置“囚禁”光子的装置，通过检测光子独一无二的偏振方向来验证钞票真伪。这种做法在理论上确实可以制造出不可伪造的钞票，然而它的缺点也一目了然——验证真伪所需要付出的代价太高，成本比钞票本身的面额还大得多。威斯纳的想法最终被认定为过于超前，多家学术期刊拒绝了他的论文。
　　但威斯纳的大学同学，在IBM公司托马斯·J·梅森实验室工作的查尔斯·本内特（Charles Bennett）很欣赏这一设计，并在此基础上，本内特于1984年提出了利用光子偏振态编码传送密钥信息的量子密钥分发协议——BB84协议。自此，量子密码开始受到学术界的高度关注。1993年，本内特等6位科学家发表题为《经由经典和EPR通道传送未知量子态》的论文，正式提出“量子隐形传态”构想。这一构想被认为是量子通信的基础。
　　前面说到，量子有两项特性，一个是不可分割，一个是不可复制。本内特指出，因为光量子具有不可分割性，所以在单光子发射的情况下，窃听者不可能采用将光子分成两半，一半用于获得密钥，一半传输给接收方的方式来避免被发现。与此同时，因为光量子是无法准确被测量的，所以不能被窃听者复制。换句话说，窃听者无法通过准确测量光子，克隆出一个一模一样的量子来获取信息。也就是说，在量子通信的范畴内，只要窃听者窃取信息就必定会被发现，这是它相较传统通信技术的一大改变。
　　1997年，奥地利科学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的经典之作。当时，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟正在奥地利留学，跟随导师蔡林格参与了整个实验。回国后，潘建伟在中国科学技术大学组建了量子信息实验室，经十余年耕耘，目前，潘建伟团队已成为世界范围内量子信息实验领域的领头羊。这次上天的“墨子号”卫星正是这个团队的最新杰作。
量子通信是如何实现的？
　　说了这么多，那么量子通信到底是如何实现的呢？在解释前，我们首先要清楚两个概念。
　　第一个概念是光的偏振。我们知道光具有波动性，也就是光在传播过程中，是一边振动，一边往前走，振动可以是空间内垂直于传播方向的任意方向。但是我们可以在中途加一个偏光器，让振动方向垂直偏光器的光才能通过。这样一来，通过的光亮度会大大减弱，从而减少眼睛的负担，这个技术在、电脑显示器和照相机中都有应用。
　　第二个概念是基底，就是空间维度的轴。在二维空间上，它是X和Y，在三维空间则是X、Y、Z这三轴。让我们试着在脑内构建两个不同的基底，一个是水平X轴、垂直Y轴的水平垂直基底，另一个是倾斜45°，呈X形状的斜45°基底。我们把这两组基底想象成偏振器，那么当一束光通过某个基底后，只有这个方向偏振的光子被保留下来，也就是说这个光子的偏振状态是唯一的。好比一根绳子穿过篱笆，抓住一头上下甩动，篱笆对于绳子就像“透明”的，不会干扰绳子摆动，但如果你左右摆动，绳子的波就被篱笆阻挡了。
　　明确了这两个概念后，我们来看如何实现从A到B的密钥传输。
　　首先，发信人A用水平垂直基底和斜45°基底对光子进行制备，并对制备后的偏振状态进行赋值。比如分别把他们在X轴偏振的光子记为1，Y轴偏振的记为0。也就是说，从水平垂直基底上筛出的光子，如果偏振状态表现出是0°，则代表二进制数1；如果是90°，则代表二进制数0。另一种基底也是同样道理。
　　之后，A随机选择一批具有一定偏振状态的光子，通过正常的信道逐个发送给收信人B。此时，光子的赋值可以记作一个长度为N的二进制串。B在接收到A的光子后，随机选择一种基底进行测量。如果B和A选择的是一样的基底，那么测出来的结果就会跟A的赋值一样。如果选错了基底，光子就会无法通过，从而呈现出完全随机的表现。因为只有0和1这两种赋值，所以在这种情况下，错误率是50%。
随机脉冲序列密匙
　　在这之后，B把测量结果通过其他信道，比如公开打电话之类的，跟A进行核对。他不需要告诉A具体收到什么结果，只要告诉A他选取了什么基底就足够了。这样就能剔除错误结果，保留正确的结果，从而形成长度为M（M&n）的二进制串，成为原始密钥。& span="" style="box-sizing: border-"&&/n）的二进制串，成为原始密钥。&&
　　这时，A已经知道B测量光子用的基底序列，那么他再次发送随机脉冲序列时立刻就知道B的哪些是对的，哪些是错的。于是每次A给B发随机脉冲时，同时附上一份对错序列表。B收到脉冲以后，用对错表跟自己的测量结果进行比对。这样一来，他就知道哪几位上的数字是对的，从而获得正确的密钥。
　　那么，问题来了，为什么对于这样的通信，旁人无法窃听？我们可以试着罗列出不同的可能性。
　　首先，如果选择在A传送光子时进行窃听，那么必然要对光子进行测量，由于A对基底的选择是随机的，窃听者不可能正好跟A选择一样的一组基底，假设有两组基底作为备选，每一次选择正确的概率只有1/2，如果这个基底序列达到20位，那就是1/2的20次方，序列越长，正确率越低，窃听者从而无法获得正确的密钥。
　　同时，由于窃听者对光子进行了观测，根据量子物理的理论，这种行为会干涉它的状态，从而导致它的偏振发生改变。B收到光子后，跟A进行核对，发现错误率明显提高了。说明中途肯定被别人窃听了，所以这条信道就不安全了，二者将停止通信。
　　如果是直接截获并克隆A和B之间的信息传输，然后慢慢研究呢？很抱歉，这也是不可能的。从“克隆”的意义上说，要想精确地复制一个物品，首先就要测量这个物品的所有信息。然而，对一个遵循量子规律的系统，我们不可能同时精确测量它的所有物理量，因为根据“海森堡测不准原理”，在同一时刻，不可能以相同精度测定量子的位置与动量，我们只能精确测定两者之一。那么，窃听者就算截获了A发送的光子，也无法完美复制出一个一模一样的给B，这样同样会导致窃听暴露。
　　即便窃听到了B的基底测量序列，并获得了A发送的对错表——这是有可能的，毕竟这些两步沟通都是通过经典信道完成——可窃听者也无法知道B的测量结果是什么。即便获得了B的测量结果，但正式通信时，窃听者也只有把光子拦截下来，再对照A的对错表才能知道密钥是什么。但这样一来，B就收不到光子了，窃听行为同样会暴露。
　　在这种情况下，由于光子是逐个发送的，一旦发现有一个光子失联，B可以随时中止通信，让窃听者收不到后面的信息，从而无功而返。
　　由此可见，从理论上讲，量子保密通信可以保证信道的绝对安全，不仅不易被窃听到信息，并且即使有人窃听的话，也可以在第一时间发觉，进而及时中断通信。由于它的这种高保密性的特点，量子通信有望应用到各种高密级的远程会议中。
量子通信的未来
　　当然，理论上绝对安全的量子保密通信，在实际应用中也存在漏洞，因为在单光子传送过程中会有噪音干扰，不存在理想状态那种绝对干净的信道。所以A必须发送多个携带相同信息的光子脉冲序列给B，保证他能够接收到其中一条。这时，窃听者可以伪装成噪音，截获其中一条，再按照之前提到的思路，从公共信道窃取B的基底序列和A的对错表，对照之后，一样可以获得正确的信息。但这里面涉及到了密码学中的降噪、诱骗态方案等问题，已经不属于量子通信本身的范畴，它需要我们通过其他方面的努力去克服，比如建设更好的信道等，在这里就不展开阐述了。
　　由于量子保密通信本身具有超高安全性的特点，它最适合的应用就是在军事需求方面，因此在研究初期，它得到我国国防经费的大力投入，在研究实力方面，军方的量子通信技术一向是最高的。
　　现在，随着技术的成熟，量子通信开始向民用领
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