量子通信是个什么高大上的玩意儿？（三）令人期待的未来世界

前文介绍了量子密码通信，这里再介绍另一种量子通信方式，也是“墨子”号所使用的方式。

量子叠加态是量子物理中最神秘也是最基本的特性
，而量子纠缠是多粒子的一种叠加态。比如说同时产生的一堆双粒子，粒子A可以处于某个物理量的叠加态，另一个粒子B同时也可以处于某个物理量的叠加态。当这两个粒子发生所谓的纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，就称之为纠缠态。奇怪的是，粒子的纠缠态是没有距离限制的，无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子必定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子必定处于0态。影响双方的量子纠缠是跨越时空瞬间产生的，爱因斯坦认为这违反了他的相对论，因此提出强烈质疑，并称其为“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance)。

量子纠缠示意图（来源：网络）

为了招安这个叛逆，科学家提出了“隐变量理论”来解释这种超距相互作用，然而，不幸的是后来越来越多的实验都力挺量子力学，反而把“朝廷”颁布的“隐变量理论”诏书宣判了死刑。从此，量子力学与爱因斯坦改良后的经典力学分庭抗礼。

我们都知道量子力学为现代计算机的发展发挥了巨大作用，我们的芯片越来越小，速度越来越快，但曾经神奇的“摩尔定律”似乎也遇到了瓶颈。这个技术说到底还是基于经典力学的，二进制码0和1是通过高低电平控制半导体的通路与断路。随着量子力学体系的完善，量子技术的应用就成为人类的下一目标，量子信息学就此诞生。在量子信息学中，量子纠缠就不仅仅是一个基础理论了，而是作为量子信息科技的核心。

在量子信息范畴，就要求真正地使用量子技术，我们把利用量子纠缠态的量子通信就是叫量子隐形传态（quantum teleportation）。通俗地讲就是使用量子纠缠的原理和量子技术传送量子的状态，这里的“隐形”也只是一个比喻。所要传送的量子的状态就是量子比特，一个量子比特就是0和1的叠加态。但是需要指出的是，经典比特的0和1是两个值，而量子比特的0和1可以看作两个向量，一个量子比特可以是0和1这两个向量的所有可能的组合（好比是两个向量之间可以有各种角度），因此理论上讲一个量子比特的值有无限个。

那么量子隐形传态实现的原理又是什么呢？

第一步，制备。制备一个纠缠粒子对。将1个粒子发送到A点，另一个粒子发送至B点。

第二步，测量。在A点，另一个粒子3携带一个想要传输的量子比特Q。于是A点的粒子1和B点的粒子2对与粒子3一起会形成一个总的纠缠态。这时候如果在A点同时测量粒子1和粒子3，得到一个测量结果。如此以来，这个测量会使粒子1和粒子2的纠缠态坍缩掉，粒子1会呈现0或1的状态，相应的粒子二就会呈现1或0的状态。但同时粒子1和和粒子3却纠缠到了一起。

第三步，通知。A点的人利用经典通讯方式，电话、电报、短信、微信都可以，把自己的测量结果告诉B点的人。

第四步，探知。B点的人收到A点的测量结果后，就知道了B点的粒子2处于哪个态。只要对粒子2稍做一个简单的操作，它就会变成粒子3在测量前的状态，如此，也就是说，B点的人在没有见到粒子3的情况下，就可以获得粒子3所携带的量子比特。

量子隐形传态示意图（来源：网络）

就这样，通过量子隐形传态的方法，即通过量子纠缠把一个量子比特无损地从一个地点传到另一个地点。需要注意的是，其中第三步仍然需要依靠经典信息传输而且不可忽略，而这种传输方式显然是无法超过光速的，因此量子隐形传态的信息传输速度也没有违反相对论，也没有违反因果律。

进行量子隐形传态试验，这就是“墨子”号要做的事情。“墨子”号会在空中向两个地面接收站分发一个纠缠光子对，然后让两地同时进行测量，这样就解决了高速传递密钥的问题，利用量子纠缠来实现量子比特的传输，这才是真正意义上的量子通信，也有望实现真正“不可破解”的保密通信。此外，考虑到量子计算需要直接处理量子比特，于是可以直接传送量子比特的量子隐形传态毫无疑问将成为未来首选的量子通信方式。未来量子互联网将是“一步登天”的，即由地面量子通信网络、量子计算机终端、量子通信卫星和量子隐形传态技术一同构成。未来的量子信息时代妙不可言！

中国量子通信网络发展路径（来源：新华网）