量子遥传学与密码学研究

量子遥传学与密码学研究

量子遥传学（quantum teleportation）又称量子隐形传输学，或者量子隐形传送，这是利用量子纠缠态进行无信号的信息传送，又被称为量子态的隐形传输。虽然利用这种方式不能传送物质和能量，也不能实现可传输的实质信号传递，但它已经成为量子计算、量子通信与量子密码学发展中的重要因素。

20世纪90年代新量子技术的进展推动了量子遥传学实验研究。1991年，牛津大学的埃克特（Ekert）和瑞士的基森研究组实现了量子态的隐形传输，他们的实验是通过日内瓦湖底，传送到了25千米之遥，虽然这一实验是通过光纤进行，而不是自由空间传送的，但其成果在世界范围产生了重要影响，更推进了本世纪量子遥传学的研究高潮。

21世纪，量子态隐形传输技术有了更大的发展。中国在此项研究上成绩斐然。2005年，中国科技大学潘建伟研究组首次实现了大距离双向纠缠态的传送技术；2009年，他们在北京八达岭和河北怀来之间，在相隔16千米的两站间，架设了一条自由空间的量子信道，在没有光纤的情况下，实现了量子态的隐形传输，证实了量子隐形传输穿越大气层的可能性；2011年10月，他们又在青海湖首次实现了空间量子态隐形传输，这一成果又开辟了卫星与地面间量子通信技术的可能性；2012年8月，他们在该基地，再次成功实现了97千米自由空间量子隐形传态和纠缠分发。这一成果不仅为大尺度的量子力学理论基础性研究奠定了基础，也实验证实了建立卫地全球量子通信网络的可行性。这种传输方式可以在自由空间进行，所传输的量子信息，在发送方神秘消失的同时，立即在接受方瞬间神秘地出现，传输既无须载体，也无须时间，虽然尚不能传送可以资用的实质性信号，但这项成果已成为未来量子通信网络的核心要素。

中国研究组的这一成果一经发布，立刻在国际间引起强烈反响。世界著名科学刊物《自然》称，此项研究“有望成为远距离量子通信的里程碑”；美国《科学新闻》杂志以“量子隐形传输的巨大飞跃”为题，做了专题报道，称它“使基于卫星覆盖全球的、实用化的远距离量子通信网络更为接近现实”，“为基于卫星的量子通信、远距离的量子力学基本检验铺平了道路”；英国《新科学家》杂志以“隐形传输记录触发全球保密量子网络”为题，也进行了报道。［50］

然而，值得注意的是，在量子态传输的过程中，避免不了量子态的坍缩，仅只依靠隐形传输尚不能获得可以读取的信息，上述成果仅只是为量子通信技术发展铺平了道路，要想获得实用的量子遥传通信技术，还需要借助其他条件才可以实现，其他条件是什么，为什么仅只依靠量子态的传送还不能直接作为通信技术加以应用，这是量子理论和量子技术需要进一步研究的问题。从20世纪80到90年代，不少人投入到这一研究中。

早在20世纪80年代，伍特斯（Wooters）与祖瑞克（Zurek）曾从理论上证明，量子粒子是不可能被“克隆”的，也就是不可能仅仅通过量子纠缠态的隐性传输，把一个粒子的状态原封不变地复制到另一个粒子之上。

1993年，班内特（Bennett）等人在《物理评论》中撰文指出，一个粒子的量子态可以传输给另一个粒子，这就是量子的隐形遥传，但仅此过程，尚不可能获得所有的信息，还必须应用其他的辅助手段。而且即使应用了辅助手段，实现了量子态的这种复制，也不可能使原来粒子保持原有的状态不变。也就是说，不可能制造出这样的量子复印机，在接受方复印出东西之后，使发出方的原件不被破坏，其原因就在于量子态的“坍缩”。当进行量子遥传时，无疑也是对发出信息粒子做一次“观察”，但仅这个“观察”，就足以因波函数的“坍缩”，摧毁这个粒子的原有状态，即在粒子被观察过程的“投影公设”（projection postulate）中，原来的多重叠加态被“投影”到其中的一个态中，而失去了原来所有的信息。上述研究结果是“致命”的，说明要想使量子遥传学得以实现，仅靠隐形量子态的传送还不能获得，必须找到进一步发展的途径。

1997年12月，《自然》杂志上发表了塞林格小组的量子遥传学研究报告，这份研究报告具有重要的价值，因为它对量子遥传学提出了一个可发展的途径。这篇论文指出，要想使信号的传递在量子遥传学中得以再现，必须摆脱量子力学不确定性原理所决定的“量子态不可克隆”的限制，实现这个目标的一个重要条件，就是使被遥传的客体事先具有两种信息，一是它的量子信息，一是给它特殊加入的经典信息。两种信息分别经过量子信息通道和经典信息通道传送，在远处的接受方再把所接受的信息分离并采用特殊技术把所需要的量子信息提取出来。(https://www.daowen.com)

如此说来，实现量子遥传必须具有如下条件和经过如下过程：首先，发送方和接收方要分别具有共享的量子纠缠的粒子对或粒子体系对，简称EPR对；此外，发送方要具有两种信息态，一是要遥传的量子态，一是特殊加设的经典态；在发送时发送方首先对所拥有的粒子进行测量，测量什么状态与方式与拥有什么量子态有关，经测量后，发送方的EPR粒子状态立即坍缩；根据量子纠缠原理，在发送方EPR粒子量子态坍缩的同时，接收方的EPR对也同时发生瞬间量子态坍缩，具体坍缩为哪一状态，取决于发送方不同的测量结果；此外，在发送方通过经典信息通道，将测量结果通知接收方后，接收方接收到经典信息，通过特殊的处理，即所谓的幺正变换，使自己的EPR对获得与传送方相同的量子态，至此才能完成量子态的传送。

如此看来，与一般的寄信与电报的通信方式不同，在量子通信中，信息的原始物始终留在原来发送者手中，所发送的只是原物的量子态。然而由于经过测量的坍缩，量子态已经破坏，发送者对所发送的状态一无所知；而接收方对接收的量子态也一无所知，因为当原物的量子态在测量坍缩时，它自己所拥有的量子态也同时因坍缩而破坏，因此这种传送不违背“量子不可克隆的原理”，也正因如此，仅只量子态隐形遥传并不能实现超光速的信息传送。两个纠缠态的粒子间有着微妙的“不可视”的联系，与周围环境无关，只储存在彼此纠缠的两个粒子之间，即使两个粒子相隔万里，他们彼此仍成为一个自我系统。

为了经量子遥传能得到有用的信息，另一个经典信息通道具有不可忽视的重要作用。通过这一通道发送经典信息，以此经典信息作为传送的副本，通知接收方对纠缠粒子需要做什么处理才能获知完整的量子信息，再把这个信息以一种特殊的变换方式复制出来，接收方才能获得所要得到的量子态，此时才最终完成量子遥传。

目前所实现的量子隐形传送都是在纠缠粒子对间进行，是否能在较大的物体间实现呢？这关系到量子遥传技术实用性的发展。这个问题涉及物理学中一个很不好解决的问题，它涉及粒子与波动二象性问题，也就是微观和宏观世界间的界限究竟在哪里。原则上说，任何物体，包括人都可以与波函数相联系，因为无论客体有多大，都是由微观粒子组成，每个粒子都具有二象性，也都具有自己的波函数。但到现在为止，还没有人能对微观与宏观的界限做出清楚的解答，遥传学还仅限是个微观领域课题。

20世纪90年代量子技术的发展也同时促发了量子密码学的研究。隔空传递粒子，如光子，使其带有信息，这为量子密码学的发展带来了机遇。两处要传递密码的人，只要手中各有一个相互纠缠粒子对中的一个，就可以把第三个量子所带的信息不知不觉地传送出去。原则上说，无论距离多远，也不必详细知道对方在哪里，只要对方手中持有纠缠粒子，就可以获得这个信息，他们无须保有密码本，不仅解码方便也更具保密性。因为量子具有不可再分、不可复制的特性，对其他人，则不论用什么办法也不能获得这个信息。如果在传输中受到某种干扰，量子态就会因坍缩而改变，不仅接收方会立即发现，所传输的信息也因这一变化而失效。这一“保密”和“反窃听”功能受到人们的重视，使量子密码学（quantum cryptography）成为一门很有前途的新学科。

牛津大学的埃克特把EPR实验加以改造，利用一对纠缠光子实验证明了这一想法的可行性。本世纪初，以德国慕尼黑大学哈拉尔德·魏因福尔教授为首的研究小组与英国军方所属研究机构合作，在量子密码技术研究中取得了重要进展。他们在奥地利边境的楚格峰和卡尔文德尔峰之间的23.4千米距离上，实现了激光密钥的量子传输，他们选用的密钥是借助光的偏振态纠缠，光子用不同的偏振角分别代表二进制的“0”和“1”，而光子发射顺序也依照代表二进制的代码排序。激光信号装置每发送一个有效光子态，而发送方与接收方通过电话核对每个光子态的发射和接收时间，是否有丢失、偏振角是否改变等，一旦发生丢失或有偏振角的改变，发射方就可以从密钥序列中取出这个光子态，从而成为一个新的密钥。他们的这一成果发表在《自然》杂志上。魏因福尔说，他们打算下一步试验城市间的保密通信，然后实现地面500到1000千米的近地卫星收发密钥，建立一个密码传输网。这项技术将首先用于军事和政府保密信息的传输。但是在国际上，对于激光密钥的量子传输技术存有争议，有人担心这项技术会被犯罪集团或恐怖分子滥用。［51］