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中國的“墨子”升天引來了全世界的關(guān)注，而讓這個(gè)頗為神秘的詞狠狠的火了一把--量子。
僅僅一顆通信衛(wèi)星發(fā)射成功有必要引來這么大的轟動(dòng)嗎？有！而且它不普通！不是普通的通信衛(wèi)星。它是首顆攜載量子的衛(wèi)星。它未來的應(yīng)用主要是作為通信衛(wèi)星，將應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)和金融安全等領(lǐng)域。
為什么量子通信在安全方面有這么轟動(dòng)的反響？量子通信到底是怎樣實(shí)現(xiàn)安全的？
這與量子本身的三大特性分不開。糾纏理論、測(cè)不準(zhǔn)理論、不可復(fù)制性。
糾纏理論
量子糾纏是粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象，雖然粒子在空間上可能分開。
糾纏是關(guān)于量子力學(xué)理論最著名的預(yù)測(cè)。它描述了兩個(gè)粒子互相糾纏，即使相距遙遠(yuǎn)距離，一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)。當(dāng)其中一顆被操作（例如量子測(cè)量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。
愛因斯坦將量子糾纏稱為"鬼魅似的遠(yuǎn)距作用"（spookyactionatadistance）。但這并不僅僅是個(gè)詭異的預(yù)測(cè)，而是已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中獲得的現(xiàn)象，比如科學(xué)家通過向兩個(gè)處于室溫的糾纏的小鉆石發(fā)射激光（圖中綠色）。科學(xué)家希望能夠建造量子計(jì)算機(jī)，利用粒子糾纏進(jìn)行超高速計(jì)算。
量子糾纏所代表的在量子世界中的普遍量子關(guān)聯(lián)則成為組成世界的基本的關(guān)聯(lián)關(guān)系�；蛟S用糾纏的觀點(diǎn)來解釋"夸克禁閉"之謎。當(dāng)一個(gè)質(zhì)子處于基態(tài)附近的狀態(tài)時(shí)，它的各種性質(zhì)可以相當(dāng)滿意地用三個(gè)價(jià)夸克的結(jié)構(gòu)來說明。但是實(shí)驗(yàn)上至今不能分離出電荷為2e/3的u夸克或（-e/3）的d夸克，這是由于夸克之間存在著極強(qiáng)的量子關(guān)聯(lián)，后者是如此之強(qiáng)，以至于夸克不能再作為普通意義下的結(jié)構(gòu)性粒子。通常所說的結(jié)構(gòu)粒子a和b組成一個(gè)復(fù)合粒子c時(shí)的結(jié)合能遠(yuǎn)小于a和b的靜能之和，a或b的自由態(tài)與束縛態(tài)的差別是不大的。而核子內(nèi)的夸克在"取出"的過程中大變而特變，人們看到的只能是整數(shù)電荷的介子等強(qiáng)子。同一個(gè)質(zhì)子，在不同的過程中有不同的表現(xiàn)，在理解它時(shí)需要考慮不同的組分和不同的動(dòng)力學(xué)。一個(gè)質(zhì)子在本質(zhì)上是一個(gè)無限的客體。實(shí)質(zhì)上整個(gè)宇宙是一個(gè)整體的能量慣性體系包括實(shí)在的粒子和空間，由于能量慣性的存在，整個(gè)能量體系時(shí)刻按一定的能量運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，宇宙中的每一個(gè)粒子作為宇宙能量的一分子它本身的能量慣性狀態(tài)始終與宇宙環(huán)境保持一致即能量的穩(wěn)定性，它們的電磁能量波始終存在著相互作用。當(dāng)倆物質(zhì)粒子同時(shí)處于某一狀態(tài)即盡量使之處于基態(tài)或能量控制編碼態(tài)，它們?cè)谙嗷プ饔脮r(shí)產(chǎn)生了電磁能量慣性互動(dòng)及量子糾纏現(xiàn)象。因此，物質(zhì)具有能量然而人們只能從物質(zhì)的相互作用中獲得并得到利用。
不可復(fù)制
量子通訊的理論基礎(chǔ)在于量子不可克隆原理，這個(gè)原理從根本上保證了量子通訊信道是無法被竊聽的：通訊雙方通過公開地交換一些測(cè)量信息（這些信息可以讓所有人都知道，比如說，通過大喇叭來喊話），就可以確認(rèn)是否有人竊聽。
當(dāng)然，通訊保密是個(gè)系統(tǒng)工程，最終的保密效果依賴于系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的可靠程度，決定于保密程度最差的那個(gè)環(huán)節(jié)。量子通訊只是保證了需要保密的信息不會(huì)在該環(huán)節(jié)里被泄露，其他環(huán)節(jié)的事情，他是管不著的：比如說，掌管保密信息的人本身也許就是個(gè)間諜，那么需要保密的信息肯定會(huì)被偷走，量子通訊對(duì)此肯定是無能為力的--這是常識(shí)，是任何系統(tǒng)工程都無法避免的，但這些并不構(gòu)成否認(rèn)量子通訊保密性的理由。
量子力學(xué)說起來挺玄乎，其實(shí)也是可以用些常識(shí)性的比喻來理解的。下面就談?wù)劻孔硬豢煽寺≡恚務(wù)勊麨槭裁茨軌虮ＷC量子通訊信道是無法被竊聽的。
克隆（clone）就是復(fù)制的意思，量子不可克隆，就是說，某個(gè)任意的量子態(tài)是不能夠百分百精確地復(fù)制的。需要注意的是，這里說的量子態(tài)，指的是任意的量子態(tài)，也就是說，我們事先不知道他的狀態(tài)到底是什么--對(duì)于某個(gè)確定的量子態(tài)，我們是有辦法精確復(fù)制的。其實(shí)，這等效于說，對(duì)于某個(gè)任意的量子態(tài)，我們是無法通過測(cè)量確定它的特性的--在量子力學(xué)里，"知道"的意思其實(shí)就是"測(cè)量"：不經(jīng)過測(cè)量，你就不知道；而測(cè)量總是要影響量子態(tài)的，你要想知道，就必須選擇測(cè)量方法，具體的測(cè)量方法會(huì)決定測(cè)量的可能結(jié)果。這就是量子力學(xué)的精髓，實(shí)際上是從所有實(shí)驗(yàn)中總結(jié)提煉出來的道理--科普文章里經(jīng)常提到的海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，說的也就是這么個(gè)事情。
有一些特殊的測(cè)量，是可以保證某些特殊的量子態(tài)不受擾動(dòng)的，這些量子態(tài)就是本征態(tài)，其對(duì)應(yīng)的測(cè)量值就是本征值。本征態(tài)是非常特殊的量子態(tài)，任意的量子態(tài)通常是多個(gè)本征態(tài)的疊加。量子不可克隆原理說的是，任意量子態(tài)是不能夠精確復(fù)制的--本征態(tài)是可以復(fù)制的，因?yàn)樗欠浅Ｌ厥獾牧孔討B(tài)，特別是他依賴于測(cè)量方法的選擇。
為什么說量子不能夠被精確克��？證明的方法是反證法。首先要承認(rèn)的前提是海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，這是從無數(shù)實(shí)驗(yàn)中總結(jié)提煉出來的事實(shí)。如果任意量子態(tài)可以被精確克隆，那么我們就可以這么做：先把這個(gè)量子態(tài)精確地復(fù)制一百份，然后用一百種不同的測(cè)量方法來精確地得到一百種不同的信息--如果一百份還不夠，那么就克隆一萬份好了。通過選擇測(cè)量方法，我們就可以知道每個(gè)特定備份的相關(guān)性質(zhì)，再加上精確克隆的假定，我們就可以知道任意量子態(tài)的任何信息，海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理也就不可能成立了--這個(gè)結(jié)論與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)事實(shí)是矛盾的。所以說，量子不可克隆原理等價(jià)于海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，也等價(jià)于測(cè)量會(huì)影響量子態(tài)的這個(gè)量子力學(xué)基本假定。
測(cè)不準(zhǔn)
量子本身一般不是像光子、電子那樣的粒子，它其實(shí)就是"份額"或"單元"的意思，一定要在量子前面加上限定，它才有確切的含義，比如能量量子、動(dòng)量量子，而且，它也只是指一份能量或一份動(dòng)量，與粒子是不同類別的東西。不過，場(chǎng)量子一般就是指微觀粒子。
粒子的位置與速度的不確定性關(guān)鍵在于所有微粒都具有波粒二象性--它既像顆粒狀的分立的粒子、又像云霧狀的彌散的波動(dòng)，而且粒子的動(dòng)量直接與波動(dòng)的波長(zhǎng)成反比（可參閱德布羅意波、或稱物質(zhì)波或概率波）。已有不少實(shí)驗(yàn)直接證明了光子、電子、中子、原子的這種波粒二象性。盡管沒有去直接驗(yàn)證所有粒子都具有這種二象性，但所有已知粒子都按照以此波粒二象性為基礎(chǔ)的量子力學(xué)來處理后的結(jié)果都與觀測(cè)相符--間接驗(yàn)證了所有粒子都普遍有此波粒二象性。至今也沒有絲毫的跡象顯示存在著沒有波粒二象性的粒子，絕大多數(shù)科學(xué)家也相信將來不會(huì)發(fā)現(xiàn)這種粒子。
至于為何會(huì)有波粒二象性，至今仍是一個(gè)謎。
不妨具體看看波粒二象性與不確定原理的關(guān)系：
由德布羅意的物質(zhì)波波長(zhǎng)的公式可知，一個(gè)有著完全確定動(dòng)量的粒子對(duì)應(yīng)著一個(gè)有著完全確定波長(zhǎng)的平面單色波，這樣的平面單色波必然是遍布全空間的，并且此波的振幅是處處相同的（否則，按傅立葉分析，它就不可能是單色的--只有單一的波長(zhǎng)），亦即全空間各處找到該粒子的概率都相同--粒子的位置完全不確定，這正是不確定原理要說內(nèi)容的一部分--粒子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)確定，動(dòng)量完全確定時(shí)，其位置就完全不確定。
另一個(gè)極端情景是：粒子的位置完全確定（相對(duì)論量子場(chǎng)論對(duì)位置的確定又有進(jìn)一步的限制，這里不展開說了），此時(shí)的波函數(shù)的形狀是無窮高也無窮細(xì)的一個(gè)尖峰（數(shù)學(xué)上用狄拉克函數(shù)表示），表明除此處以外的其他地方找到粒子的概率都是0。狄拉克函數(shù)根據(jù)傅立葉分析可看成是無窮多個(gè)不同波長(zhǎng)（從0到無窮）的平面單色波的疊加。由德布羅意的物質(zhì)波波長(zhǎng)的公式可知，一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于一個(gè)確定的動(dòng)量，無窮多個(gè)不同的波長(zhǎng)就對(duì)應(yīng)著無窮多個(gè)不同的動(dòng)量--此時(shí)的粒子動(dòng)量是完全不確定的，這正是不確定原理要說內(nèi)容的一部分--粒子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)確定，位置完全確定時(shí)，其動(dòng)量就完全不確定。
來看中間的某個(gè)狀況：一個(gè)有限高度和有限寬度的波包代表粒子就分布在這個(gè)波包的寬度的范圍內(nèi)，波包寬度也就是這個(gè)粒子的位置的不確定程度Δx。這個(gè)波包的傅立葉分析的結(jié)果是疊加的單色波波長(zhǎng)只分布在一定范圍內(nèi)--相應(yīng)的動(dòng)量的不確度Δp是一個(gè)有限的值。ΔpΔx也是有限的，如果波包的大小和形狀取得合適，還能使ΔpΔx達(dá)到最小值--約化普朗克常數(shù)的一半。這正是不確定原理的核心內(nèi)容--ΔpΔx≤h/4π。
波粒二象性的圖像確實(shí)是難以想象的，許多人都試圖找到像經(jīng)典粒子那樣的位置確定的、不彌散開來的、動(dòng)量也確定的并且可以任意小的東西，但近一百年來的實(shí)踐似乎是越來越強(qiáng)烈地表明那實(shí)在不過只是一種毫無現(xiàn)實(shí)依據(jù)的空想--不是測(cè)量工具不足，而是微觀世界就是這般奇異不定--那里確實(shí)有一部分東西是無規(guī)則的、不確定的、概率性的--有些我們想確切知道的東西還真是無論如何也無法知道！
有人這樣形容過量子通信，就好比是你用大喇叭告訴另一個(gè)人秘密，通知過程中，你就可以知道是否有人在竊聽。你就會(huì)發(fā)現(xiàn)你的通信是否是安全的。
量子通信給通信渠道帶來了一個(gè)絕對(duì)安全得通道。我們就只需要靜靜的等待，等待量子通信普及起來吧！
在這個(gè)數(shù)據(jù)爆炸時(shí)代，手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以及即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，保護(hù)好我們的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)成了頭等大事。信息安全不得不值得我們重視起來！別在網(wǎng)絡(luò)世界裸奔！
