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量子计算有多神奇之量子通信简释（下）——漫谈量子计算、量子通信等相关量子科技

2021-01-28 19:57阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1592917513

1月7日消息，今日凌晨，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟团队再次登上顶级科学期刊《Nature》，推出量子通信领域的重磅成果，他们通过“墨子号”卫星与京沪干线的串联，首次构建了一张集成的空间对地量子通信网络，综合通信链路距离长达4600公里……
量子计算有多神奇之量子通信简释（下）

——漫谈量子计算、量子通信等相关量子科技

文/陈思进
近来，我前后写过两篇文章浅谈了量子计算，其发展可谓前景无量。不过，在《量子计算有多神奇（中）( http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog_5ef1fe090102zpj5.html?vt=4 ）》一文中谈到，量子计算因为退相干的问题，出错实在太容易了，而只要是计算就有一个纠错问题。传统计算机的纠错方法是制造冗余，比如这段信息只需三个比特，那我就用九个，左右两边各做一个备份，读取信息的时候少数服从多数。可量子计算却不能这么做，因为量子比特不可复制！（注：根据“量子不可克隆定理（no-cloning theorem）”，要想复制一个量子态，就必须破坏这个量子态。）
也就是说量子计算的特点，既是它超凡的优点，同时又给它带来了难以克服的困难。量子计算机最擅长的，是可以同时对所有可能性做运算，但纠错方法则是一个迄今尚未突破的难题。可以想象，当人类一旦突破这个技术难点的时候，人工智能或将迎来全新的时代（将从下文开始详谈人工智能）。
那篇文章的最后还谈到，跟爱因斯坦、玻尔那一代先辈相比，我们已经幸运地看到了量子力
学后来的进展——而我们还需要再幸运一点，才能看见带有“量子”这两个字的产品真正改变世界！
那怎样才能把量子力学的神奇性质应用到日常生活中，自问世100多年来，科学家可谓是煞费苦心。
其实，原则上只要使用原子的东西，像激光、原子钟、半导体芯片等应用，都已经默默地运用了量子力学。不过，因为没有直接使用像量子纠缠那样的性质，所以它们并没有被称为“量子光”、“量子钟”和“量子芯片”；相比之下，那些民间流行的、打着“量子”旗号的所谓“黑科技”神秘产品，比如“量子鞋垫”、“量子挂坠”、甚至“量子波动速读”等，全是忽悠的伪科学。只要知道制备一对相干的光子在技术上有多难的话，就不会轻易相信那些东西了！
不过，最近几年引起强烈关注的“量子通信”——完整准确地说是“量子加密通信”，则是一个真技术；而且，量子通信这些年来在研究领域非常热门。为什么呢？其中很重要的一个原因在于人们对信息安全的担心。随着信息量的激增，通信的频繁，对信息越来越依赖，我们逐渐意识到了问题的严重性！
当今，基于公开密钥的加密方式，虽然基本上满足了大家保密的需求，但是它远非完美。因为，当计算机速度足够快时，还是可以破译的。而且，从保密的时效性和破译的速度来看，今天的加密也只是有限时间内的保密，如果计算机的速度提高一百万倍（并非做不到）的话，那我们今天觉得安全的加密，可能就变得不安全了。因此，大家就在想，能不能有一个一劳永逸的方法，保证绝对的信息安全。
这个问题如果换一种问法：“是否存在一种密码（或加密方式），从理论上讲是无法破译的呢？”其实，信息论的创始人香农早就指出了终极答案：“一次性密码，这从理论上讲永远是安全的。”
但这里面又产生了一个新的问题，那就是对信息进行加密的密码本身，如何送达给接收方？如果密码本身的传输出了问题，加密就无从谈起了。在过去，这个问题无法解决，因此人们也就不考虑这种通信的可能性了，直到量子加密通信的设想被提出。
量子加密通信的概念来自于量子力学中的量子纠缠，也就是一对纠缠的粒子，其中一个状态改变时，另一个状态也会改变。因此利用这种特性可以进行信息的传播。
量子计算有多神奇之量子通信简释（下）——漫谈量子计算、量子通信等相关量子科技
之前，量子纠缠本身虽然在实验中被证实了，可是离应用还相差很远，直到量子加密通信借用了量子纠缠效应。
在这儿说明一下，因之前已经在专栏文《科学中最奇特的现象量子纠缠》和《再谈量子纠缠：科学中最奇特的现象》中详谈了量子纠缠，这儿就不再具体介绍如何用其效应来实现量子加密通信了。
量子通信之所以能够成功，原因在于量子足够小，它不能一分为二，一旦接收，状态就改变了，就不是原来的东西了；还有量子力学中最重要的特点不确定性在量子通信技术中的应用。
还要强调二点，1、注意到很多人都通过量子纠缠这个词儿，将量子通信和量子计算混为一谈，其实它们在原理上是完全不同的；2、量子加密通信要用到量子纠缠的概念，但之前提到已经反复强调，量子纠缠本身并不能传递信息。
注意到，有些科普文章说量子通信是像人类发明蒸汽机、电力、计算机一样的“第四次工业革命”，能改变世界，那我看就是言过其实了，它所解决的问题仅仅是保密而已。信息的加密解密在历史上早就起到过重要作用，如二战时候动辄就是英国破解了德军密码、美国破解日军密码……也就是说，在今天，密码本身并不是问题。
总之，量子加密通信是一个精巧的、理论上能绝对保密的、分发密码本的方式，其好处是：它不可能被窃听，具有绝对的保密性。不过，还真谈不上改变世界。
结论，量子计算可能会改变世界，而量子加密通信的作用是确保世界不被改变。

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