[科普中国]-海水量子通信成功：到底如何实现

近日，上海交通大学金贤敏团队成功进行了首个海水量子通信实验，观察到了光子极化量子态和量子纠缠可在海水中保持量子特性，这是国际上首次通过实验验证了水下量子通信的可行性，向未来建立水下及空海一体量子通信网络上迈出重要一步。

海水量子通信（图片来自网络）

量子通信是指，利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信具有高效率和绝对安全等特点，是目前国际量子物理和信息科学的研究热点。

追溯量子通信的起源，还得从爱因斯坦的“幽灵”——量子纠缠的实证说起。

量子通信的起源

由于人们对纠缠态粒子之间的相互影响一直有所怀疑，几十年来，物理学家一直试图验证这种神奇特性是否真实。

纠缠在一起的两幅图像中存在随机波动（图片来自网络）

1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特（Alain Aspect）和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”（quantum entanglement）的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。

在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。**量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。**量子通信概念的提出，使爱因斯坦的“幽灵（Spooky）” ——量子纠缠效益开始真正发挥其真正的威力。

量子通信（图片来自网络）

经过二十多年的发展，量子通信这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展，主要涉及的领域包括：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。

量子通信的基本思想主要包括两部分：一为量子密钥分配，二为量子态隐形传输。

量子密钥分配

量子密钥分配不是用于传送保密内容，而是在于建立和传输密码本，即在保密通信双方分配密钥，俗称量子密码通信。

量子密码通信（图片来自网络）

1984年，美国的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84协议，即用量子比特作为信息载体，利用光的偏振特性对量子态进行编码，实现对密钥的产生和安全分配。

通过量子密钥分配可以对安全的通信密码加以建立，在一次一次的加密方式下，点对点方式的安全经典通信便得以实现。量子通信的安全性保障了密钥的安全性，从而保证加密后的信息是安全的。

量子密钥分配（图片来自网络）

**量子密钥分配还有一个好处——不需要大面积地改造现有的通信设备和线路。**量子密钥分配突破了传统加密方法的束缚，以不可复制的量子状态作为密钥，具有理论上的“无条件安全性”。

任何截获或测试量子密钥的操作，都会改变量子状态。这样，截获者得到的只是无意义的信息，而信息的合法接收者也可以从量子态的改变，知道密钥曾被截取过。

最重要的是，与经典的公钥密码体系不同，即使实用的量子计算机出现甚至得到普及，量子密钥分配仍是安全的。

量子态隐形传输

量子态隐形传输一直是学术界和公众的关注焦点。

其基本思想是：**将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。**经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；而量子通道是指可以保持量子态的量子特性的传输通道。

量子态隐形传输（图片来自网络）

比如说，保偏光纤对于光子的量子偏振态而言就是一种量子通道。但在量子态隐形传输态中，量子通道的角色是由双方共享的量子纠缠态所担任的。

接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。

当隐形传输的量子态是一个纠缠态的一部分时，隐形传输就变成了量子纠缠交换。利用纠缠交换，可以将两个原本毫无联系的粒子纠缠起来，在它们之间建立量子关联。

量子纠缠交换（图片来自网络）

隐形传态和纠缠交换可以把物体的量子信息在瞬间精确无误地传送到遥远的地方，这看起来很像科幻电影中的瞬时传送，或者电子游戏中的传送门之类的神奇功能。

未来几年，我们相信通过量子通信技术成果转化团队的不懈努力，我国的量子通信产业必将取得飞速发展，并在世界量子通信产业版图上占据重要位置。