量子通信发展史

1901年12月12日，意大利工程师马可尼收到横跨大西洋、人类史上第一个无线电信号的那一天，似乎什么都没有改变。包括马可尼自己，当时没有人能够想象，在接下来的一百多年，通信会把世界变成什么样；2016年8月16日，世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”从酒泉升天。就像当年的马可尼一样，我们也无从想象，未来的量子计算和量子通信，会带来怎样的一个魔法时代。

一切都要追溯到最早牛顿和惠更斯关于光的本性的争论。牛顿是光的“粒派”代表，以牛顿为首的科学家认为光的本质是粒子，光是由一颗颗像小弹丸一样的微粒所组成的粒子流。而波派代表荷兰的物理学家（也是天文学家和数学家）惠更斯则坚持主张光是一种机械波。

为什么会出现两派截然不同的观点呢？物理学不应该是一门严谨的科学吗？原来，无论是波还是粒，双方都能拿出很多权威的实验来证实自己的说法。就这样，两派争执从未停歇。19世纪初，随着光学和数学理论知识储备越来越丰富，物理学家们对这一问题又重新重视起来。一个著名实验-“双缝干涉实验”就是在这一阶段完成的，首先，我们把实验环境搭建起来，在一块隔板上开两条缝，用一个发射光子的“机枪”对双缝扫射，隔板后面的屏上会出现一个光斑。 好了，可以开始了，第一场，把光子对准双缝发射，结果屏幕上是标准的斑马线，这证明光子是波啊，好了，做完了，都各回各家吧；粒派不服：我明明验证光子是粒子啊，不行我们要再做一次。

第二场：光子被一个一个点射出去，但是随着光子数量增多，屏幕上还是斑马线。粒派表示很迷，不对啊，我一个一个发射的，光子要么走左边，要么走右边，怎么还是斑马线呢？不行我要看一下它是怎么穿过去的，我要求加上高速摄像机。

波派想，好，就让你输的心服口服，于是在屏幕前加上了两个摄像头，光子仍然被一个一个发射出去。结果摄像机里面不是左边来一个，就是右边来一个，看来光子没有没有分裂。但是就在波派马上就要笑出声的时候，诡异的事情发生了，屏幕上的图案，不知道什么时候，变成了两条杠。

什么，你在逗我？见鬼了？到了此刻，争论了一百多年，什么波和粒已经不重要了，现在大家都懵了，于是又做了几次验证试验，大家发现，只要有摄像头在，屏幕就是两条杠，没有摄像头就是斑马线，为什么？你该什么样就什么样，我看不看这么重要嘛？诶，就是这么重要，也正是这个时候，量子魔法时代大幕徐徐拉开，但是光是波还是粒这一问题，再次被搁置。

又是一百多年过去，大家还没从之前的“双缝干涉实验”缓过神来，丹麦的“足球小子”玻尔第一个想通了，通过前辈们做的一些烧脑实验，玻尔总结了量子世界的三大基本原则：即叠加态原理、测不准原理、观察者原理，这样一来，似乎双缝干涉解释通了，这也是后来教科书上的解释，称为哥本哈根解释。

这就结束了？当然没有，科学界对这一解释群说纷纭，而这第一枪，就是我们的薛老师打响的。“薛定谔的猫”这只著名的“猫”正是薛定谔用来挑战玻尔的头脑实验：将一只猫关在封闭箱子里，和猫一起的还有一个装置，内含一个放射性原子，如果原子衰变，则激发α射线，触发开关，打破毒药瓶，小猫当场毙命。在爱猫人士的眼中，可怜的猫的死活居然直接取决于原子是否衰变，不过这只是一个头脑想象实验，这位同学，你可以把手里的砖块放下了。原子衰变=死猫，原子没衰变=活猫，叠加态原子=叠加态的猫？

薛定谔上来就是一记暴击，你玻尔不是厉害吗？好，我就按照你的理论来解释，但是最后这不对啊，我打开箱子，猫是死是活一定是已经发生了的，你总不能说他是不死不活的叠加态吧，那我把你关起来，你不也是不死不活的了，那我闭上眼睡会觉，全世界的人难道都是不死不活的了？这下好了，问题升级了，上升到了哲学的范畴了，唯心主义者们似乎蠢蠢欲动，也都想进来插两脚了。

玻尔看到和自己截然对立的观点，第一反应当然是想去证明自己是对的，但是后来他发现，这么一个简单的实验根本没法证伪。那怎么办，其实直到最近几十年，这个问题才得到了一个直观的解释，虽然不是最早的，但是我国的潘建伟团队首次实现多光子薛定谔猫态，这只猫浑身上下只有5个光子，但是正是这个实验中，人们可以直观的观察到铍离子在第一个位置处于自旋向上的状态，而又同时在第二个位置自旋向下。

这时就不得不祭出科学家们最强大的武器：粒子对撞机。顾名思义，就是使两束粒子对撞的呗，最常见的现象是：母粒子被撞击后，分裂成两个更小的粒子A和B，根据能量守恒，子粒子能量相同，方向相反。根据量子理论，不被观测的情况下，粒子处于多种可能性的叠加态，也就是说，这对孪生粒子如果被分隔万里，测出其中一个自旋态，那另外一个也就知道了，那，如果足够远呢？答案是肯定的。但是，孪生粒子的距离如果超过光速1秒所前进的距离，那在测量的瞬间发生的信息传输岂不是违反了我们一直坚信的相对论中光速不可超越的判断。

是时候请出我们的大神爱因斯坦了，提到爱因斯坦，大家都想到了相对论，但不被注意的是，大神在35岁就已功成名就，而在之后的40 年里，他一直在纠结一个问题：量子力学。

在量子力学的核心理论中，微观世界的一切都只能用概率来表示，单个粒子的状态是不确定的叠加态。而这，也是让爱因斯坦最不爽的地方，他觉得量子力学否认了物质的实在性。比如，爱因斯坦认为，所谓的概率，只不过是愚蠢的人类事先不知道事实发生的一切，只能推测出所谓的概率。他认为，影响一个事物的状态都有一定的变量，除了我们已经发现的，还有我们至今未发现的，称之为“隐变量”，一旦我们找出隐变量，量子力学的角落将会被照的一览无余。

然而，薛老师每天在家并不只是养养猫那么简单，这不，前面所说的孪生粒子的问题，薛老师称之为“量子纠缠”，但爱因斯坦却斥为“幽灵般的超距作用”，这一次，量子力学正面对刚相对论，可惜的是并未分出个胜负。直到后来，欧核中心加速器工程师约翰·贝尔“无意间”证实了量子纠缠的正确性，为什么说是无意间呢，原来，约翰·贝尔本是爱因斯坦脑残粉一枚，人家平时闲的没事没有约会而去研究“贝尔不等式”就是为了支持自己的偶像，结果却令人怎么也高兴不起来。就好像你是你们辩论队的主辩手，你和对手正在辩论一个话题，你信誓旦旦，引经据典，滔滔不绝，结果说到最后，突然觉得对面是对的，怕是队友当场吐血啊。

那么，如果量子力学是对的，难道是相对论错了？其实不然，2013年，斯坦福大学教授李奥纳特·萨斯坎德与普林斯顿高等研究院教授胡安·马尔达西那共同提出了ER=EPR猜想，这个猜想表明，两个量子纠缠的粒子之间彼此之间的链接是一个虫洞（爱因斯坦-罗森桥），这也就解释了粒子间的超距作用并未超越光速。而在三年前的2010年，哥伦比亚大学物理学家Van Raamsdonk也建立了一个宇宙模型，结果显示一旦在模型中去掉量子纠缠，时间和空间就会被打乱，也就是说量子纠缠是真实存在我们世界当中的了。

那么到这，我们可能会想到，量子力学可以应用在哪呢？没错，就是我们开头说的通信。几十年前，信息论的祖师爷香农就已经提出了一种理论上绝对安全的通信方式，这种通信方式只需要满足三个条件，第一：一次一密，每一条发送的信息都用不同的秘钥进行加密；第二：随机密码，生成的秘钥是真随机的，不可能预测，我们知道，我们目前计算机模拟的随机数并非真随机数，而是通过给定随机样本的一部分和随机算法生成的伪随机数。第三：明密等长：即明文和密码长度相等同，谁能穷举出明文，还破解什么密码。

几十年来，随着计算机的发展，我们以香农提出的绝对安全的加密方式为目标，不断完善我们的加密算法，来模拟这种绝对安全的加密方式，但遗憾的是，目前几乎所有的加密通信都是根据增加密钥长度以能加破解难度来保证的，一旦计算机的算力突破极限，这种加密方式将完全失去抵抗力。直到它的出现：量子力学，没错就是它，量子力学独有的特性让人们突然惊醒，香农所提出的绝对安全通信简直就是为量子力学量身打造的，这也就是量子通信。

二战时，德军发明了一种在当时看似不可破译的密码，这就是现在我们所熟知的恩尼格码密码，为什么说当时是不可能破译的呢，因为在这个密码加密的过程中，26个字母在ENIGMA机中能替代8万亿个密文字母，如果改动连线，变化会超过2.5千万亿亿。在当时，是没有任何一种工具有如此大的算力来完成破译工作的，但是，阿兰图灵结合了数学和统计学原理，造出了第一代计算机的雏形，完成了破译工作，并将计就计，最终盟军击溃德军，取得二战胜利。

这中间，德军通信被掌握还浑然不知成了他们最大的漏洞，最骄傲的加密方式也成了他们失败的最重要原因。回到我们量子通信上看，量子纠缠的特性可以让我们不仅可以极速通信，还不担心被窃听，即使被窃听，我们几乎马上就能够知道，关键是窃听者并不知道我们已经知道了他们的窃听，这不正是绝对安全的通信方式吗？而且，量子通信计算机一旦被研发出来，那么当今世界所有的加密通信几乎可以被瞬间秒杀。

如今，全球各国都在积极发展自己国家的量子通信技术，在我国，我们的研发团队不断突破技术障碍，2016年，成功发射的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”被写入十九大报告；2017年9月中国量子保密通信骨干网络，也是世界首条远距离量子保密通信干线-“京沪干线”开通，而这些举世瞩目的成就都离不开一个人--中国科学院院士潘建伟，他曾说，“如果能搞清楚为什么有量子纠缠，我可以现在去死，但现在还没搞清楚，所以我想活得长一些”。潘院士的话无疑为量子力学的真正面目又蒙了一层纱，但是，在广大人民群众一片“不懂”的质疑声中，我们的量子力学成就已经走在了世界前列，并且应用到了实践中，工商银行在北京用上了量子通信做同城加密，阿里云的数据中心已经在用量子通信组网。或许，那个我们心心念念的魔法时代，已经到来。