量子通信的邏輯

邱元陽

今年8月，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在我國成功發射，標志著量子保密通信技術已經從實驗室走向實際應用。

然而，新聞報道透露的少量信息，還不足以使人們了解量子通信，并且質疑的慣性也使人們對這一技術的實際狀態產生了懷疑。

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本個體，因此可以說所有物質都是由量子組成的。量子具有非常奇妙的特性：量子疊加和量子糾纏。量子疊加原理使得量子的測量會被感知，是量子保密通信的基本邏輯。光量子通信主要基于量子糾纏理論，使用量子隱形傳態的方式實現信息傳遞，這是實現量子高速通信的基本邏輯。

一個量子可以有多個可能狀態的疊加態，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現出某種確定的狀態，但是對量子的測量又會改變被測量量子的狀態。利用量子疊加原理，就可以實現量子密鑰分發，一旦有人試圖截獲或測試量子密鑰，就會改變量子狀態，發送方可以銷毀密鑰重新分發。量子不可克隆和不可分割的特性也保證了量子密鑰無法復制，實現了量子保密通信。

這種通信真的是無條件的絕對安全嗎？目前還沒有絕對安全的通信，不管多么保密的技術，最后都可能在人的身上功虧一簣，這是永遠的安全悖論。

兩個量子的相互作用，還可以產生一種糾纏態，處于糾纏態的一對量子，不管距離多么遙遠，只要其中一個量子的狀態發生變化，另一個量子也會發生相應的狀態變化，這就是量子糾纏。根據這個原理，只要觀測到一個量子的狀態，那么就能得到另一個遠距離量子的狀態。也就是說，由這種狀態變化就能實現瞬間通信，這就是量子的隱形傳態。

量子隱形傳態將粒子的未知量子態精確傳送到遙遠地點而不用傳送粒子本身，因此在量子通信的宣傳中，得到這樣一個結論：量子通信的速度可以超越光速。

量子理論中，光的速度是極限速度，無法突破。但是量子糾纏理論在實驗室狀態下是經過驗證的，難道真的可以突破光速嗎？這只有在更遠的距離下才能驗證。當距離和速度接近于光速的量級時，能夠確保沒有各種抑制作用的產生嗎？別忘了經典力學中的速度疊加在高速時就已經不再成立，量子級別的狀態我們還遠沒有探索完成。如果我們制作一個遠距離的理想剛性框架，在其中一端轉動時，另一端也會瞬間改變狀態，理論上，這種信息傳輸速度也將超過光速。然而實際上，當扭矩過大時，狀態的變化一定會滯后，這也可以類比到量子糾纏上。要將處于糾纏態的一對量子分置于非常遙遠的距離并保持量子糾纏狀態并非易事，隱形傳態的實際速度會不會超越光速，也許會在墨子號實驗衛星上得到一些數據。

此外，信息的傳輸速度和信息介質的傳輸速度似乎也要區別對待。信息不是物質，它的傳輸速度是否超越光速，都不會打破光速的極限理論。但是隱形傳態卻引出了另一個信息哲學問題：信息傳輸一定需要載體和介質嗎？

用光纖構建量子通信網絡本身也是一個技術悖論。無論光纖是用于傳輸和分離光量子還是用來分發量子密鑰，都不是最好的選擇。從量子通信到量子計算機的跨越也更像一個神話。盡管如此，我們還是期待，神話和夢想能夠照進現實，智慧的技術能夠突破理論距離現實的最后一毫米。