到底啥是“量子通信”

要了解到底什么是“量子通信”

讓我們從三個問題開始著手：

“量子通信”是干啥的？

為啥？

咋弄的？

“量子通信”是干啥的？

用最通俗的方式解釋就是

“加密”和“傳輸”

用專業(yè)術(shù)語叫“量子密鑰分配”和“量子態(tài)傳輸”

先說加密

為啥要加密？咋加密？

加啥蜜？好吃不？

因為我們傳輸?shù)男畔⒃诮橘|(zhì)中傳播時很容易被第三方竊取，所以我們要在發(fā)送的內(nèi)容中加入密碼，使得竊取者無法破譯內(nèi)容。接受者提前知道密碼的破解方法。而竊取者無法破譯內(nèi)容。

舉一個過時的例子，

比如二戰(zhàn)時德國軍方使用的

“恩尼格碼”機

恩尼格碼機內(nèi)置了多個轉(zhuǎn)子，每個轉(zhuǎn)子對應(yīng)不同的26個字母，也就是說，只要發(fā)送者敲下一個字母就會出現(xiàn)26的N次方種可能，而其中規(guī)律只有德國軍方自己才知道，如果盟軍截獲了信息，靠人工推演，可能要花費上萬年才能破譯。

以前的加密方法已經(jīng)這么安全，

那還要量子通信加密有什么用？

可是隨著人工智能的出現(xiàn)以及發(fā)展，

傳統(tǒng)的數(shù)字迭代式的加密方法（經(jīng)典密碼）會被計算機分分鐘破譯

偉大的阿蘭圖靈，將人工智能的概念用于密碼破譯，成功破解了“恩尼格碼”，提前結(jié)束了二戰(zhàn)，更為世人留下了寶貴的遺產(chǎn)——計算機

密碼分分鐘被破，怎么辦？

香農(nóng)，這位某種意義上說偉大程度已經(jīng)不亞于甚至超過他的遠方親戚愛迪生的偉大科學家，提出一個解決辦法：

一次一密

簡單說就是每一次發(fā)送信息都采用新的密鑰

每次都用新的密鑰，豈不是接受者也蒙圈？那么發(fā)送者就需要每次都把新的密鑰發(fā)送給接受者。

恩，穩(wěn)妥

這時候問題來了，密鑰在傳輸?shù)臅r候會被竊取�。�

我是一個小插曲

如果有人竊取我的信息，難道我發(fā)現(xiàn)不了嗎？

對，發(fā)現(xiàn)不了

我們都知道現(xiàn)在通信系統(tǒng)傳輸?shù)慕橘|(zhì)無非是光纖。

舉一個例子

S給B發(fā)送了一個名為m的密鑰，但是中間被A竊取，A拿到密鑰后又復制了一份繼續(xù)發(fā)送給B，B此時無法得知密鑰已經(jīng)被人竊�。〉�是A已經(jīng)可以在神不知鬼不覺的情況下進行對信息的解密。

插完了

所以能否發(fā)現(xiàn)竊聽者成了解決通信加密的一個關(guān)鍵問題。

為了解決這個問題“量子通信”終于可以閃亮登場了！

隨即出現(xiàn)了開篇時的第二個問題：

為啥？

為啥量子通信可以幫助我們發(fā)現(xiàn)竊聽者？

首先讓我們回憶一下剛才S和B之間通信被竊聽時的情況

我們看到，當A竊取密鑰時，首先要對密鑰進行截取，然后復制，我們稱這個過程為測量、復制，那么有沒有一種東東是一旦被測量我們就會發(fā)現(xiàn)呢？

有！

不但有，而且有人對這一特性設(shè)計了一個理想模型，這個人就是——薛定諤

這個理想模型就是“薛定諤的貓”

這只可能是世界上最慘的貓被關(guān)在一個封閉的鐵箱子里，鐵箱子里有一個裝著放射性元素的儀器，同時這個儀器連接著一個錘子，一旦放射性元素發(fā)生衰變，釋放出α元素，錘子就會落下，擊碎一個裝滿氰化物的毒氣瓶，毒氣釋放，貓咪必死無疑。

放射性元素早晚都會衰變，我們都知道放射性元素有半衰期，但具體什么時間衰變沒有人知道，也就是說沒有人知道這只貓什么時候死，什么時候活，除非打開箱子看，也就是說只要不打開箱子，這只貓就處在一種既活著又死了的狀態(tài)，半死不活！

我們把貓咪的這種狀態(tài)叫做：

“量子疊加態(tài)”

也就是既“活”又“死”的疊加態(tài)

那我打開還不行么？小咪咪好可憐

如果打開箱子對貓的死活進行驗證，也就是進行測量，那么貓的那種“量子疊加態(tài)”，既活又死、半死不活的狀態(tài)就會轟然坍塌，因為一旦你打開盒子得到的結(jié)果要么是“活”，要么是“死”，未知的生死的疊加態(tài)將難以還原復制

這種現(xiàn)象叫“波函數(shù)塌縮”

我們一旦對薛定諤的貓進行測量，就會改變實驗?zāi)Ｐ偷臓顟B(tài)，波函數(shù)就會塌縮，這不正是我們想要的特性么？

——只要測量就會被發(fā)現(xiàn)

那什么東西才滿足這樣的特性呢？

我不能拿貓去做通信媒介吧？

答案不言而喻，那就是“量子”

不甚嚴謹?shù)闹v，所謂“量子”者，“小丟丟”也

我們把原子、中子、質(zhì)子、電子、光子這些個微觀粒子都可以統(tǒng)稱為“量子”

第三個問題

咋弄的？

為啥量子就有這個特性？

怎么利用的這個特性呢？

還加密了你咋不上天呢？

打個比方，我們把量子看成在做高速震動的球，因為這個球很小，震動的速度又很快，所以我們無法知道這個球某個時刻點在具體的什么位置（測不準原理），但是，我們可以知道這個球震動的方向和規(guī)律，也就是量子偏振的向量

大概就是這個樣子，量子震動的方向有垂直、水平、逆時針45度、順時針45度，四種情況。

那么在測量這四種情況的時候我們就可以利用互相垂直的測量基，你可以簡單的把它理解成互相垂直的通道，長下面這個樣子

大家可以試想一下，上下垂直震動的球球可以順利的通過十字的測量基，斜45度垂直震動的球球都可以通過×狀的測量基。那不就達到測量的目的了嗎？

等一下！

那如果↑↓震動的球球通過X狀的測量基會發(fā)生什么情況？

答案是：測量會導致量子態(tài)改變，也就是量子偏振方向會發(fā)生改變

舉一個不恰當?shù)�非常生動的例�?/p>

這個人擺了一個十字造型，但是他要通過下面這個形狀的門

沒辦法，他只好把身體的造型改成：

也就是說：

這個人就是具有偏振的量子，而這個大字門就是測量基。

那么再看量子的測量

如果一個↑的量子通過X形狀的測量基，那么↑的狀態(tài)就會被改編為50％↗

和50％↘

也就是說一旦發(fā)生錯誤的測量，那么量子的狀態(tài)就會被改變！

此時如果出現(xiàn)竊聽者，竊聽者不可能百分之百用對的測量基對量子進行測量，那么只要用到錯誤的測量基，那么量子的偏振態(tài)就會發(fā)生改變！

也就是說只要有竊聽者想偷取密鑰，那么他必須先對量子進行測量讀取，一旦他對量子進行測量，就會對量子的狀態(tài)進行改變（這就是我們之前說到的波函數(shù)塌縮），那么量子的狀態(tài)一旦改變，接受者就會很容易發(fā)現(xiàn)竊聽者的存在，從而進行應(yīng)對。保障信息的絕對安全�。�

我們的問題終于解決啦！

小小總結(jié)一下

量子通信干啥的

答：加密和傳輸

為啥要用量子通信加密？

答：因為傳輸密鑰時可能會被竊聽，而竊聽者又無法被發(fā)現(xiàn)。

那量子通信為啥就能發(fā)現(xiàn)竊聽者

答：因為量子一旦被測量，狀態(tài)就會改變（試驗?zāi)Ｐ脱Χㄖ@的貓），竊聽者就會被發(fā)現(xiàn)

等等，不是說量子通信還可以傳輸嗎？（量子態(tài)傳輸）

欲知后事如何，且聽下回分解