量子通信 超越时空的“心灵感应”

1方续东,2魏军民

安徽寿县 232231

所谓量子通信，是指基于量子纠缠效应实施信号传递的新型通信方式，是21世纪发展起来的新型交叉学科，是信息论和量子论相结合的产物。量子通信为何在当下如此备受重视，并且在21世纪名声大噪，其实这一切都缘于“量子纠缠”与“量子叠加态”的神奇魅力。

神奇的“量子纠缠”

“量子”到底是什么了呢？1900年，科学家普朗克率先提出量子的概念，并认为它是最小物理实体、最小物质组成单元，是微观世界的粒子运动方式。“量子”不同于“中子”“电子”“质子”等微观粒子，是最小的、无法再分的物理量。每一个宏观物体都可以视作一个量子体系，是对应量子的整数倍。

什么是“量子纠缠”呢？它是量子在微观世界里一种非常奇妙的现象。形象的说明一下，就是两颗处于纠缠态的光粒子，无论是相距很近还是处于宇庙的两端，总会出现类似双胞胎似的“心灵感应”。如果一个粒子因外力作用而状态发生变化，另一个粒子也是瞬时变化。这种变化不受时空限制、超越光速，爱因斯坦曾用“超距离的诡异感应”来形容它。对“量子纠缠”的认知，也一个很曲折的过程。1905年，爱因斯坦在光的传播过程引进量子概念，推动了量子力学的发展。但后来，爱因斯坦开始质疑他自己推崇过的量子力学理论。爱因斯坦指出，依据量子力学原理，应存在有一对属于“纠缠状态”的粒子A和B，如果粒子A发生变化，粒子B也要同时发生，那怕相距亿万光年。但爱因斯坦认为，这作用现象是超距离、超光束的、不可理解的。而丹麦物理学家玻尔在关于量子“纠缠状态”一个推论认为，这种超光速、超距离的作用是存在的，无论两个粒子距离有多远，如果对粒子A进行测量干扰，其状态会由“叠加态”坍塌为“确定态”，而粒子B同时也会瞬间由“叠加态”坍塌为“确定态”。量子力学发展到20世纪90年代，物理学界也逐步肯定了“量子纠缠”的存在性，并提出可利用神奇的量子纠缠，将通信信号感应到足够遥远的地方，这就产生了量子通信。当然，量子通信与传统意义上的电磁通信是不同的，量子通信以量子态作为信号源，采取的状态感应方式而不是传统意义上的信号传输。目前，“量子纠缠”中的分发和测量、纠缠对制备等关键量子理论有待突破，很多关键技术处于理论研究与实验探索阶段，但其实用化前景相当可观。

“薛定锷猫”与量子叠加态

什么是“量子叠加态”呢？“量子叠加态”是量子的另一个很难理解的特性，可借助科学假设“薛定锷猫”对它进行解释：一个密闭容器中放入一只猫、少量镭和瓶装的氰化物。镭处于可能衰变与不衰变之间，如果发生了衰变，会引发机关打碎含有氰化物的瓶子，进而毒死猫；如果镭不衰变，猫就不会死。假若把猫看成量子，在没打开容器之前，猫可能处于死猫或活猫两种状态，这就是猫的叠加态。而打开容器之后，猫无论死活，其状态就确定了，叠加态就坍塌为确定态。“量子叠加态”就是指量子同时拥有好几种存在状态，一旦受到外部干扰或测量，量子叠加态的就会坍塌成确定态。基于“量子叠加态”，科学家提出了量子密钥。即将以纠缠态方式的量子做为加密信息的密钥，当有人试图对其中一个量子进行测量或破译，量子束的“量子叠加态”就会出现紊乱，密钥也就损坏了。形象说明一下，地球南极与北极之间要进行通信，可将一对纠缠态的量光子A和B可以当做量子密钥，分发给南极与北极两个地方。如果在南极的光子A被监听、干扰、测量，则量光子A的叠加态“既黑又白”会被破坏，同时处于北极的量光子B的叠加态“既黑又白”也会被破坏。量子密钥分发，即为量子密码，原理是借助量子叠加态的传输测量实现密钥共享，实现无条件安全的保密通信。信息接收者一旦发现量子密钥匙被毁时，就会查觉信息曾被截取或监听过。以量子密钥分发实现保障网络信息安全，是量子通信领域研究与应用的热点。

超光速的“量子直接通信”

量子通信，是利用量子纠缠效应进行信息传递的通信方式。“量子直接通信”同时利用了“量子纠缠”“量子叠加态”两种特征，是量子保密通信最新范式，是一种直接以量子态进行信息编码和传输，不需建立密钥而直接传输信息的通信方式。传统通信的基础是信号呈以0或1的状态，而量子通信除有0、1，还有0+1、0-1等量子叠加态，通过量子纠缠达成瞬时通信的神奇效果。传统网络通信有网络延迟时间，距离越远网络延迟时间越长，如4G网络延迟时间为50毫秒，5G网络延迟时间为1毫秒。而量子通信技术，基于量子纠缠瞬时感应，能够消除延迟时间，实现超远距离即时通信。“量子直接通信”采用相位量子态和时间戳量子态的混合编码，虽然不需要特别编辑密钥，也不会泄露任何保密信息。

量子通信的用前景

量子通信技术被诸多国家视为21世纪通信领域发展主流和方向。未来，量子通信可能会广泛运用于军事领域，并体现在以下几方面：

一是全球化量子通信。利用量子通信超大信道容量、超高通信速率的特点，构建超光速通信网络，满足特殊的用途需求。尤其借助光子在外层空间零损耗性传播，实现全球化的量子通信。

二是安全密钥通信。利用天基平台建立量子通信密钥生成与分发系统，向覆盖区域内通信用户口分发量子密钥，建立超安全的通信网络。量子的不可再分割、不可再生、不可复制的特性，使信息在传输中一旦受到干扰就会改变状态，接收方就可快速发现。

三是量子深海通信。利用量子通信隐形传输特性，构建远洋深海安全通信通道，解决岸基与深海之间世界性通信难题。深海通信一直是困扰各国的技术难题，完全理想的深海通信方法还没出现，但中微子和量子通信已处于深海通信领域研究的前沿。