量子史話（30）量子保密通訊，量子隱形傳態，量子計算機都是啥？

雖然在量子力學中還有很多的難題，比如量子糾纏，我們並不知道兩個相互糾纏的粒子怎樣保持內在的聯繫，還有量子的疊加態，我們無法想象處在疊加態中的量子是一個怎樣圖景。

但是這並不妨礙，我們利用它們爲我們服務，就像是很少有人能知道汽車的工作原理，照樣一腳油門都能飆車。

今天我們就說下，大家比較關心，也容易產生誤解的三個最前沿的科技，量子保密通訊，量子隱形傳態，量子計算機，這三項技術就直接應用到了量子的疊加態，量子糾纏，這兩個量子力學中最神奇的現象。

先說，量子保密通訊。

在量子保密通訊中，最重要的就是保密兩個字，把保密兩個字直接給扔了，這萬萬不能。

因爲丟了保密兩個字，就跟這項技術徹底的背道而馳了，而且還容易讓人產生誤解，認爲我們現在正在研製突破光速的通訊方式，尤其是在2017年我國發射的世界上第一顆量子通訊衛星“墨子號”成功的實現了從太空到地面的量子密鑰分發。

不明白的人，還以爲成功實現了天對地的超光速通訊。其實不然，就像我上面說的，並不是量子通訊，而是量子保密通訊，或者說具體點就是量子密鑰分發。

這項技術只是用量子的測不準關係，以及疊加態原理，對信息進行加密的一種手段，說白了就是一種量子密碼系統而已，實際上的信息傳遞，還需要依靠經典的通道來進行，依然受到了光速的限制。

再說量子密碼之前，我們先了解下經典的密碼系統，關於信息傳遞的保密技術由來已久，我們最熟悉的就是在諜戰片中，看到的情形。

地下工作者，現在想給潛伏在敵人內部的同事傳遞信息，比如：今晚行動，這四個字，如果直接在紙條上寫出這四個字，要是在中途，或者事後被人截獲、發現，那後果就嚴重了。

不過，公開密鑰系統的關鍵在於專用密鑰，必須具有絕對的、無條件的安全性，才能保證整個密碼系統不被破解。

怎樣變化？這就需要傳遞信息的人和接受信息的人事先約定好變換的規則，假如它們約定數字10代表了漢字今，6代表了晚，7代表了行，4代表了動，等等，它們還可以約定很多的數字，代表什麼漢字。這個約定的變換規則就是密碼本，或者說是密鑰。

這樣它們傳遞信息的時候，就只需要在紙上寫一行數字：10、6、7、4，就可以了。把想寫的話，變換成數字。

接受信息的人，通過密鑰就能翻譯出原文，這樣就完成了一次保密通訊。這樣的加密系統，也被稱爲對稱密碼系統，或者是私鑰密碼系統。

從私鑰密碼系統這個詞就能看出來，這樣的加密規則，只有接收方和發送方兩個人知道密鑰的形式，不過這種密鑰形式很容易出現漏洞，然後被破解，例如，他倆在經過多次的通訊之後，竊聽的人就能從中很快發現規則，破解它們的密鑰。

而且當他們知道自己的密鑰已經被破解以後，就需要再次約定新的密鑰，而約定的新密鑰在分發的過程中，還有可能被人竊取。所以這種私鑰密碼系統，安全性並不高。

所以就有了非對稱密碼系統，也就是公鑰密碼系統，也就是接收方先弄一個極難破解的專用密鑰，這個密鑰只有它自己一個人知道，然後根據這個專用密鑰，再衍生出一個公開密鑰，他就可以把這個公開密鑰向外公佈給所有人，任何人都可以用這個公開密鑰把信息加密以後，傳送給他。

接受到信息以後，他就可以利用自己的專用密鑰，翻譯出原文。公鑰密碼系統的優點在於，依靠專用密鑰衍生出來的公開密鑰，不怕被竊聽，就是直接公開的，如果沒有專用密鑰，很難破解出原文。

不過，公開密鑰系統的關鍵在於專用密鑰，必須具有絕對的、無條件的安全性，才能保證整個密碼系統不被破解。

這個問題好辦，我們都知道，將兩個質數相乘可以輕鬆地得到一個合數，但是想要將一個合數分解出它的兩個質因數卻比較困難，而且隨着合數位數的增加，這個難度會呈指數級增長。

這就是“大數不可分解性”，我們將15進行質因分解會得到3和5，看起來很簡單，這是因爲15只是兩位數，如果我讓你分解10949769651859，懵了吧。

不僅你分解不出來，數學家它也分解不出來，因爲目前對於這個問題沒有一個有效的算法，只能一個一個質數去嘗試，這就導致了就算是計算機來算也非常緩慢。

而且每增加一位數，所花費的時間就增加3倍，那麼只要這個大數足夠長，按照目前人類的算力，是無法破解的。

因此，我們就可以把兩個質因數的乘積當作公開密鑰，公佈出去，把兩個質因數當作專用密鑰。這樣就形成了一個安全性非常高的，目前看來無法破解的密碼系統，這也是我們現在常有的加密術，稱爲RSA算法。

但是這樣的加密算法依然有漏洞，上面說了，不能破解是因爲計算機的算力不足，如果算力大大提高以後，不就威脅到現在全球的信息安全了嗎？

沒錯，當量子計算機誕生以後，算這個輕而易舉，因爲量子計算機能夠達到指數級的並行運行，也就是可以同時處理更多的運算，比如利用傳統計算機分解一個250位的數，可能需要幾百萬年，但是量子計算機也許幾分鐘就完事了。

那爲什麼量子計算機的效率會這麼高？

因爲量子計算機的儲存和邏輯門與傳統計算機完全不同，在傳統的計算機中，一個信息的最小單位就是一個比特，用0或者1來表示，比如讓開關閉合，電子通過就代表1，開關斷開，就是0。

現在計算機讀取信息，獲得了一組數字1010，這就是4個比特的信息，我們知道8個比特代表一個字節，1024字節代表1k，1024K爲1兆，等等。

而在量子計算機中，傳統的信息單元就變成了量子比特，那麼什麼可以作爲一個量子比特？凡是具有兩個量子態的系統都可以。

比如一個電子它具有的自旋屬性可以處在向上和向下的疊加態當中，它就可以代表一個量子比特，如果我們現在約定自旋向上就代表1，自旋向下代表0，也就是說，一個電子比特可以傳送兩個信息。

而在經典計算機中，一個量子比特只能是1或者是0，也只能傳遞以一個信息。除了電子以外，圓偏振光子也會處在左旋和右旋的疊加態當中，所以它可以作爲一個量子比特。

由於一個量子比特可以同時代表兩種信息，所以在量子計算機中可以同時處理2^n個不同的運算。

假如我們現在有500個量子比特，那麼它就可以同時進行2^500個運算，這是一個非常龐大的數字，因此利用量子計算機，再加上特定的算法，破解現在的RSA加密術輕而易舉。

不過，大家不要太過擔心，感覺量子計算機威脅到了現在的信息安全，

目前量子計算機還只是一些躺在實驗室裡的原型機，它跟我們的通用計算機還相差很遠，現在的量子計算機，只是在處理某些特定的問題上展現出了它的優勢，也就是我們常聽說的實現了量子優越性。

而且，就算有了量子計算機，我們的信息依舊安全，畢竟道高一尺魔高一丈，我們的量子加密系統已經走在了量子計算機的前面。

在量子密鑰中，我們利用量子態對信息進行加密，比如單光子的偏振方向，比如垂直方向上的偏振代表信息0，水平方向上偏振代表信息1，如果在傳輸的過程中有人截取了這些光子，那麼它在沒有獲得正確測量這些光子偏振方向的時候，只要對光子進行測量，就會改變光子的量子態。它不僅不能獲得正確的信息，而且還會讓發送者和接收者知道，光子的量子態被改變了，知道信息已經被竊取，放棄本次的通訊。

所以說，量子加密系統是利用物理基本規則的一種加密手段，也就是量子態的“一觸即變”，跟計算機的算力大小沒有任何關係，所以量子密碼具有無條件的安全性，無法被破解。

我國的墨子號，就是現實了這種量子密鑰，天到地之間的分發，分發的過程是以單光子技術來完成的，所以分發的速度也就是光速。

最後，我們說下量子隱形傳態，這纔是真正的量子通訊，不過只是在經典通訊的過程中，加入了一個量子通道，總體上來說，傳輸的速度還限制在光速。

雖然速度沒有提高，但是這種通訊方式做到了可以以光速傳遞一個實物。這裡需要注意的是，並不是把一個真實的物體，從空間A，以光速傳遞到了空間B，而是傳遞的是它的量子態，就好像是把這個東西，瞬間的傳送到了遙遠的地方，所以叫量子隱形傳態。

比如在A點有一個電子1，我們現在想將這個電子1傳送到遙遠的地點B，那麼我們首先就要在A點和B點之間搭建一個量子通道，這個量子通道就是兩個相互糾纏的電子E1和E2。

現在在A點將電子1和電子E1進行某種關聯，使得E1的量子態和電子1的量子態完全相同，那麼這時候，處在B點的電子E2的量子態也就發生變化，因爲E1和E2是兩個糾纏的量子對。

但是這是B點的人，並不知道A點的人對電子1和電子E1做了怎樣的關聯，所以這時就要通過經典的通道，比如打個電話，A點的人告訴B點的人，它做了怎樣的關聯。

B點的人獲知消息後，然後對E2進行相應的變換，就會使得E2的電子和之前的電子1擁有完全一樣的量子態。那麼這就像是實現了把電子1傳送到了B點，其實是隻傳送了它的量子態。

所以，這項通信技術叫量子隱形傳態。

這跟科幻電影中的瞬間傳送並不是一回事，科幻電影的傳送是瞬間的，而量子隱形傳態需要藉助經典通道來進行，科幻電影傳送的是實物粒子，而這裡傳送的只是量子態。

那麼量子隱形傳態以後能不能現實，傳送一個實物，比如一個人，把它身體內所有粒子的量子態傳到到遙遠的地方，然後再遙遠的地方把這些具有和人相同量子態的粒子，在組合起來變成一個活生生的人。估計是無法實現，畢竟一個人不僅僅是有微觀粒子組成的，我們還有說不清道不明的意識存在。

好了，說到這裡，整個量子史話就結束了。希望能讓你有所收穫，我就心滿意足了。