量子的神奇特性及其应用（二）

----量子纠缠的神奇特性和量子密钥通讯

华科技大学，徐长发，2017.1.28

本文重点介绍量子纠缠及其应用。量子纠缠特性显得很神秘，科学家至今还不能解释其物理作用机制，但这并不影响对其应用，就像电磁波那样，可以先应用后认识，边应用边认识。但有不少人对这种神秘性大加发挥，说什么“鬼魂存在”、“意识对客观世界可控”、“世界观可能会颠覆”。本文希望科普者对量子的特性多了解，多思考，从中学习到更多的科学知识及其与现实世界的关系，破除那些神鬼玄学之说。

一.光的偏振现象

大家知道一束普通光的照射可看着一束光子的运动，由于单个光子的发光具有独立性、随机性、振动性，所以大量光子一起运动时，光在各个方向的振动都是均匀的，振幅也是相等的。也就是说，一束自然光可被看着是各种光波的组合，有的光波是上下振动的，有些光波是左右振动的，有些光波波则沿对角方向振动的。（参见图1）

图4，用4种光信号发送密码，发送密码和接受解码的比较 

由图4可见，发送的是10110011001110，可是接受方的随机解码为10010011000100。

在随机解码过程中，随便选直平的或是斜向的解码器，选对解码器的概率是50%，用选定的解码器去判断是1还是0，判断正确的概率是50%，所以解码蒙对的概率是25%。

2.在确定没有被窃听的情况下执行下面核准密码的步骤。

接受者通过公用信道（可以被窃听），告知发送者关于解码的结果。

发送者通过公用信道（可以被窃听），告知接收方如何纠正错误，保证解码的正确性。

通俗地讲，量子密码通信的第一步，就是甲利用激光收发器发射确定状态的光子来表示密码，乙采用激光收发器进行接收，保存并记录在量子信道上发送的密码，第二步是甲和乙互相核对密码，以识别是否被窃听，如果有窃听则此次通信作废，如果没有窃听则核准得到绝对安全的密钥。

对于窃听者来说，很容易获得公用信道上的密文信息，但是还需窃听到量子信道的密码，才能还原出最终的密钥，在量子信道上窃听密码不被发现的可能性有多大呢？

1个比特（码元）上，不被发现的概率是75%，

100个比特上，不被发现的概率是 3.2* 10^(-13)。

更何况，在实际通信中，密码的码元数量远远超过100个。换句话，只要在量子信道上窃听密码，一窃听就会被发现。

对于接受者来说，

在无人窃听的情况下，接收到的错码率在25%左右。

在有人窃听的情况下，接收到的错码率远大于50%。

所以，只要量子信道的密码通信被窃听，这相当于量子被测量，量子的状态就会发生改变，接收方通过对错码率的判断就会知道有无窃听。

到这里，科普者应该明白，第一，量子隐形通信和量子密码通信是有重大区别的，不能笼统说成是量子通信。第二，量子密码通信只是用量子分发密码，对于密码来说是决对安全的，是窃听不了的，对于正常信道中传送的密文信息是可以窃听的。第三，量子密码通信只用到了量子的观测特性，量子不可克隆的特性，而量子隐形通信才用到了量子纠缠特性，所以，只有量子隐形通信才是瞬时的，量子密码通信比正常通讯还要多花一点点时间。第四，在量子密码通信中，只要有窃听，肯定会被发现，如果解码不成功，那就再来一次。

六．量子在通信方面的研究进展

量子密码通信还有一个问题要解决，就是把量子（通常用激光）秘钥发给对方，激光能发射多远？在发射中会不会受到其它因素的影响？

2011年10月，中国科学技术大学与中科院上海技术物理研究所的团队，在青海湖首次成功实现了百公里量级的*空间量子隐形传态和纠缠分发。

2016年8月16日，我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。

其主要目标是进行星地之间的量子密钥分发实验，广域量子密钥网络实验和量子隐形通信实验等。

从卫星上发射的量子密码如果穿过大气层仍然能够被定点的地面站有效接受，那么从卫星上分发密钥就可以取得关键性突破，就可以在全中国甚至在全世界实现量子密钥通信。目前中科院正在为实施这项工作做准备。

济南量子通信试验网历时2年多，已经完成，用户节点数达到50个，业务涵盖政务、金融、政法、科研、教育等五大领域，在该网络上可实现基于安全可靠、集成化、工程化的量子密钥分发通信。

2016年底，“京沪干线”广域光纤量子通信网络已经建成，总长2000余公里，经过济南、合肥，到达上海，将由卫星和这个干线进行量子密码通信，为京沪两地的金融、政务等机构的保密通信服务。

从卫星上分发纠缠量子，地面定点地接受纠缠量子，如果成功，那么量子隐形通信就会取得关键性地突破，真正通信安全就可实现。

在量子隐形通信方面还有一个问题，能不能实现多个量子的纠缠呢？如果能，就可以去做多通道的量子隐形通信了。“多光子纠缠”是全世界的科学家们共同关注的问题。

相继有人做出了3个～7个量子的纠缠。中科院量子信息重点实验室于2011年成功制备出8光子纠缠态 并进一步完成了八端口量子隐形通信的实验。

最后解释一下通信安全问题。通信安全是全世界共同关心的问题，防止信息被窃听是其中的任务之一。

对于普通的光纤通信来说，公用信道的通信是可以被窃听的，因为光纤传送的是传统的比特编码信息，只要把光纤弯转，通信信号就有少量外泄而被窃听，用户还不会发现被窃听。为了保密，可以用一些算法把明文变成密文发送，接收方用逆算法解密就可以得知明文。算法是公开的，大家都知道，解密的密码是另外发送的。如果破解了密码，就很容易得到明文。如果没有密码，理论上是可以用功能强大的计算机按公开的算法穷举死算，破解密码，解得明文。仅管破解密码极费时间，得不偿失，但在理论上讲，传统信息加密传送还是有不安全之处的。

对于量子密码通信来说，密码是安全的，密文是按公开的算法加密的，密文是可以被窃取的，虽然用公开算法破解密文要比破解密码又要难上万万倍，但理论上讲，量子密码通信仍存在某种不安全之处。

对于量子隐形通信来说，通信是不可破解的，通信是绝对安全的。

这里所说的“安全”仅仅是通信能不能被窃取的安全，读者不要误解。现实当中的安全问题多得很，例如干扰通信过程是一种不安全，黑客入侵是一种不安全，等等。

无论如何，通信安全是非常重要的，它对电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政、机关、军事、国防等各行业各部门都是非常重要的。所有国家都非常重视通信安全。现在，在量子密码通信和量子隐形通信方面，我国已经领先于它国，也就是说在通讯安全方面，我国已经领先于它国。不仅如此，我国这种科技创新在通信安全方面所带来的经济前景也是巨大的。

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