量子通信，我的“魔法”你不懂
新知
作者：高峰
公元前405年，雅典和斯巴達之間的伯羅奔尼撒戰爭末期，斯巴達軍隊抓住了一名雅典信使，他身上有一條寫滿雜亂無章的希臘字母的腰帶。當這條腰帶呈螺旋形纏繞在一根特定直徑的木棍上時，這些字母竟然神奇地組成了一段可讀的文字。這便是世界上最早的密碼情報。
2000多年來，密碼成為人們保護信息的主要手段。最初的木棍，也經曆了人工加密、機器編碼、計算機編碼等技術的升級換代。然而，既然有人創造出密碼，就有人挖空心思地想要破解密碼。當“棱鏡門”“蘋果門”等信息安全事件接連上演時。人們不禁在問：有沒有一種絕對不被破譯、信息絕對安全的通信方式？
答案就是量子通信，這是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式。10餘年來，在量子物理研究領域，中國科學家取得了多項引領國際的重大前沿突破，量子通信更成為中國為數不多的具有世界領先水平的尖端技術。如今，中國正在北京與上海之間加緊建設世界最長量子保密通信骨幹網絡工程——“京滬幹線”，並實施戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”工程。
量子如何保證我們的信息安全？量子通信究竟有多神奇呢？下麵就讓我們一起來揭開量子通信的神秘麵紗。
一封神奇的“魔法信”
量子，是微觀物理世界中的最小單位。聽起來很神秘，它卻無時無刻不在我們身邊，比如常見的光，就是由大量的光量子組成。在物理學中常用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體，例如“光的量子”（光子）是光的單位。在現代科學認知中，幾乎任何已知事物都是可測的，即物質的狀態是確定的；而在量子的世界裏，某些物質則可以同時處於多個可能的狀態。
我們來想象一下，在微觀領域裏，量子像一粒骰子，在不停旋轉中，各個麵都可能朝上。隻有在被觀測或者測量時，它才會停下來，隨機呈現出一個朝上的麵。但是，這種測量本身意味著幹涉，意味著原先的狀態遭到破壞而發生改變。換個角度說，量子一旦被測量過，就不再是原來的那個量子了。
就是基於這一原理，不同於現有電子通信普遍采用的數學計算產生密鑰，科學家們運用具有量子態的物質作為量子通信的密碼。這一看似微小的變化，使密鑰的安全性發生了徹底變化。量子密鑰是將數字密鑰儲存在特殊的量子信息中，並在量子通信線路中傳輸。當量子信息被竊聽後，就會產生無法還原的痕跡，科學家正是利用量子的不可複製性達到保密通信的目的。
我們可以這樣設想一下，如果一個偷聽者想在某一個地方偷聽信息，或者將該信息內容複製下來，這就是一種測量行為，這種測量對量子體係來說意味著對整個體係的破壞，其結果是被測量的信息將全部消失。打比方說，量子密鑰在量子通信中的作用比古代人用火漆封信更徹底——一旦有人試圖打開信件，量子密鑰會讓信件自毀，並讓使用者知曉。這就像是魔法小說中的魔法信，真神奇！
而要將這種密鑰傳遞出去，科學家還用到了量子理論的另一特性——量子糾纏效應。糾纏，是一種被愛因斯坦稱為“幽靈般的超距離作用”的量子相互關聯現象：有共同來源的兩個微觀量子，即便它們隔著一個太陽係，隻要一個量子發生變化，另一個量子就會立刻發生相應變化，就像一對彼此存在“心靈感應”的孿生兒一樣。兩個量子間的傳遞速度至少是光速的1萬倍，時延幾乎為零，從而實現了最快通信。