2016年诺贝尔物理学奖 ； 量子卫星发射 量子通信研讨

校友来稿         推荐人    熊光泽        

从有关‘量子通信’众说纷纭杂蕪无章的

资料中捡拾起来的拼图

前言

这是ZXL《见注》（一个完全外行的退休人员）所写的有关‘量子通信’的最通俗的解说材料，主要是写给自己看的，但也顺便寄给好友互相交流。其中包含了截至2016年8月25日为止，从众说纷纭杂蕪无章的网上资料中捡拾起来的碎片拼接起来所形成的概念。这样做是为了为了清除自己大脑里所塞进去的一团乱麻，所以尽量加以整理，以期至少形成一个基本没有自我矛盾的看法。估计里面会有不少误解或者说法不妥当的地方，有待今后改正。

本文推荐者注：ZXL系我校计算机专业元老之一，资深老教授，退休于北京信息工程学院。

量子

一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。

通俗地说，量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。

例：自旋就是电子的一种量子特性；偏振方向也是光子的一种量子特性。

量子纠缠

互相纠缠的两个粒子，两者（即使相距遥远距离）的状态也会互相影响。例如，当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

比喻：把一包完整的扑克牌分成两叠；用布包好，分别交给A，B二人。A留在北京，B携带它所分得的那一包扑克牌奔向远方（比如说：广州、冥王星、甚至更远的4光年以外的半人马星座）。那么A，B二人所持的这两包扑克在‘数量’这一特性上就是互相纠缠的，两包扑克牌的总张数总是54.

【任何比喻都有不完美的地方。上面这个比喻中，A，B这两包东西在没有开封以前，虽然无人能够知道每包里面的扑克牌张数，但是实际上一旦分好，里面的张数是固定的。这是因为‘扑克牌’是经典物理世界里面的物体。

而在量子世界中， 这两包‘量子扑克牌’里面的张数在打开布包以前真是随机的，但是无论怎样变化，两者的总和总是54。

当然，扑克牌只是一个比喻，一副扑克牌的总数是4x13 + 2 = 54 的说法也只是暗示两个互相纠缠的粒子的某些量子状态是‘互相依存的’而不是‘互相独立’的。】

量子通信

不同的人对这个名词有很不同的理解，这也正是引起争论的原因。

第一种定义：

既然两个互相纠缠的粒子无论相距多远，它们的量子特性总是互相关联的，那么我们就可以利用这点来做安全、迅速（比光速还快）的通信。

也就是说，我在北京不断地改变粒子A的量子状态，远方那个B粒子的量子状态也会同步地改变，这样不就是一种远距离的通信么？

这种利用“相处两地（不论多远）的两个基本粒子的量子特性的同步变化”进行的通信才是‘真正的量子通信’。

第二种定义：

两个互相纠缠的粒子（布袋）里的量子特性（扑克牌数）虽然可能在多种状态之间变化，但是一旦对其中任一粒子进行测量（打开任一布包来看），粒子的状态立刻‘坍塌’；不再可能回复到原来的‘多态’情况。

因此，不可能存在‘一方拨动某个东西另一方也会跟着变化这种事情’。为了使通信过程持续下去，必须不断地派遣新的‘信使’携带新的‘纠缠离子对’中的某一个到达远方目的地去。

由此可见，整个通信过程中并不存在瞬间（超光速）传输。实现量子通信的难点仅仅在于信使的传递。

第三种定义：

上述第二种定义中所说的过程的确是‘真正的量子通信’。但是这个过程太缓慢了。所以为了实用起见，可以把保密通信中体量巨大的信息本身依旧通过传统的方式（例如‘光纤’）传送，而只把只有几百比特以下的‘密钥’通过‘真正的量子通信’传递。

争论鹊起

这次在潘建伟主持下发射的‘量子通信卫星’项目显然是使用了上述的第三种定义。

持第一种定义的观点的人不用说了，因为这样的‘量子通信’根本不可能（从原理上不可能）实现。

持第二种定义的观点的人就认为，潘建伟欺世盗名，用‘量子加密’来冒充‘量子通信’。

除此以外，他们还认为，按照第三种定义的‘量子通信’即使搞出来，也有如下问题：

l   就算你通过‘量子手段’把‘密钥’保护住了，敌方还是获得了（已经被加密）的信息本身。这和目前世界上加密破密攻防战的实际情况有什么区别？各国机要部门不正是在没有获得‘密钥’的情况下通过巨型计算机来解密的么？而且一旦未来的‘量子计算机’研制成功，计算能力有了巨大数量级的飞跃以后，破密的工作会变的更加容易。要不要‘密钥’无所谓，你费了半天劲，又是发射卫星，又是建立地面站，把‘密钥’保护的再好，又有什么用？

l   即算是‘墨子号’和那一堆一堆的地面站分发传递‘密钥’的试验成功，由于‘密钥’在自由空间传送，很容易加以‘侦听’。的确，敌方一旦侦听，根据量子传输的特性，我方会立刻发觉；可是与此同时，你的‘量子传输’也立刻垮台，必须重来。换句话说，敌方即使偷窃不到你的秘密，但是你也无法把你的信息发到你想要送到的地方去。

发射‘量子卫星’的理由

（以下内容摘自【3】和【1】）

1988年发现和证明了‘量子隐态传输（teleportation）’的存在。到2004年，传输距离可以通过光纤达到600米。随后在物理学家的努力下，这个距离增加到16km、97km，现在到达大气层内的143km。

本来大家想，在全球光纤网络的飞速发展的条件下，基于光纤技术的量子通道是最容易建立的。但人们很快发现，光纤的衰减效应成为量子通信技术向远距离发展难以逾越的门槛。

在经典通信下，光纤信号的衰减可以通过放大器件进行放大后传输，只要建立好中继站，光纤网络便可以遍布全球。但到了量子通信，由于信息载体是单个的光子，量子的不可复制性也决定了单光子的信号是不可放大的，由于光纤固有的光子损耗，光量子传输很难更远距离拓展。

基于自由空间的量子通信技术则成为当前实现全球量子通信网络的一个最优选择。

考虑到地球曲率、传输距离、大气、天气等影响，在地球表面，100公里级别的自由空间的量子密钥分发几乎已经是极限，于是，基于低轨卫星中转的量子通信可谓实现目标的最佳方案。

外太空的真空环境对光的传输来说是最好的媒介，几乎不存在大气引起的衰减和退相干效应，利用卫星作为中转平台，科学家们可以在地球上的任意两点之间建立起量子信道，极大地扩展了光子的传输距离。

理论上，只要我们能够实现将光子传出大气层，配合星载平台技术和光束精确定位技术，就有可能实现真正覆盖全球的量子通信网络。

小结

关于"墨子号"那颗量子通信卫星，我现在觉得不管当初电视台的宣传，还是我们自己的理解，都有一些偏差。就是以为它也像高铁或者是港珠澳大桥那样的一项“工程”，一旦建成以后，就可以建立起量子通信网络，并且投入使用。大家觉得，无论是理论研究，还是技术手段里这个目标差的太远了，于是疑窦丛生，诘难四起。

现在看起来，情况并不是这样。这颗卫星，以及分布在全国各地相关的地面设备，只是一个科学实验的平台，用来帮助我们国家的科学工作者，【估计也希望吸收国际上的科学工作者】，一起来进一步探讨量子科学的一些基本性质，

这是因为量子力学现在是建立在一些假说上；当然，这些假设的确也通过了一些实验的验证，但是全世界最前沿的物理学家也还没有搞清楚其中的机理。

比如说，最为神秘的量子纠缠问题，按照现在的假设，两个互相纠缠的量子，不管相距多远，他们的状态都是纠缠在一起的；而且一个量子状态的变化，似乎也能‘瞬时’也就是不需要时间传到另外一个量子那里。这种说法，在短距离（比如说一两百公里之内）已经得到了实验验证。那么更大的距离呢？比如说，这一个在地球上，另一个在已经走出太阳系的发现号宇宙探测器上，甚至更远在四光年以外的人马座星球上，情况会怎么样呢？这些都需要做进一步的试验来验证。

两个互相纠缠的量子之间状态的传输真的不要时间吗？这个问题真的很令人疑惑。现在已经知道连引力波的传输也是需要时间的（光速）。

由于量子纠缠的内部机理还没有搞清楚，所以这些办法这些问题都没有办法回答，而为了回答这些问题，就需要投入资金，建立有关的科学实验平台，来进一步加以探索。所以这次发射这颗墨子号卫星以及相关的地面设施，可能是一种为工程应用作试探、开路的量子通信实验平台。如果成功了，则扩大试验范围，甚至开启象征性应用等等；如果失败了，则总结经验教训，或作技术上的改进，或作理论上的廓清。

本文作者说明，我只是和大家一样对这个问题既感兴趣，又外行。只是因为看到这么多完全对立、激烈冲突的文章以后，

觉得就让自己大脑里也是这样一直装着乱糟糟的东西非常难受，所以才费力整理出这样一个虽然‘自洽’但很难保证说得对的临时看法来，

有待今后有了权威专家的意见后，再行修正。

在接到你的信以前，收到一位姓闵的朋友来信，也提及‘54张扑克牌’的问题，见附件“答老闵”。

所以我在原来的文字上做了一点补充，见附件中的修改稿。