主题：【讨论】文摘+评论 高能物理的绝唱 王孟源 -- dafemren

目前能看到的最好的科普贴 ，这么长俺竟然看完了，木有脚得累。几个酸评论水平

差了很多条街，晦涩难懂，但也得承认吹了这么半天，其实就是搞了个密室。有基本科学素养和道德的妓者小编都应该在文章里把这事点到，但特色大国那些报道里根本木有，急着舔的就更是搅浑水

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首先，量子通信分广义和狭义。广义是用纠缠态光子来做信息载体，就好像无线通信通

过无线波传信息，光通信通过光（一般是激光）传信息。广义量子通信有很玄的部分，

比如teleportation，就是说纠缠光子在无限远距离可以传送状态，近似于心灵感应。

这个理论上靠不靠谱咱不说，咱不搞物理，但是这个离实际应用似乎还有若干光年的距

离，所以这里咱不拿这个说事。好吧，如果你是物理专家，觉得这个很靠谱，很快就能

用来传hello world。那就不用往下看了。

那么不谈这个teleportation，就说说单光子的的传送吧。这个和心灵感应不同，是需

要发送光子到接收端的。这个大家都能接受，对吧？现在的量子通信是怎么做的呢？光

子是波啊，有波就有振动方向啊。这个方向在传输过程中如果不受干扰是不变的。物理

名词叫偏振态。接收端用一个偏振镜，你就想象成一个细缝吧。那么这个细缝的方向和

这个波的偏振方向是一致的话，这个光子就可以被接收到了。接收端的偏振片是要转动

的，转一个角度收一个光子。很简单吧。别被纠缠态啥的名词忽悠了，激光通信里偏振

态是一个研究很多的问题，不同偏振态的光子在介质里传输的速度实际是有很小的不同

的。这个先不提。那么这个光子在传输的过程中碰到其他物质怎么办？很可能接收端就

收不到了。光子的运行方向变了嘛。被窃听了怎么办？这个是纠缠光子特殊的地方，被

窃听了的光子的偏振方向就随机改变了。接收端的偏振片可能就收不到了。这个说明了

什么？发送端和接收端要通过比对发送和接受的码字来确定是不是被窃听了。如果发送

和接受的码字错的太多，说明这个信道不能用了。是被窃听了吗？也许。当然也可能是

中间介质出问题了。比如天边突然飘过一片云挡在了发送和接受端中间。也许一阵风，

吹来了pm2.5的尘埃。anyway，you got the idea。

咱先歇一下，说说光纤通信。光纤这个东西是个了不起的发明，高锟教授因为这个得了

诺贝尔。当时的发现是玻璃为啥不能用来传激光呢？因为杂质太多。所以要提纯。当年

的光纤，实际上是玻璃棒，每公里衰减20dB，现在的光纤很容易就做到0点几dB了。这

个很了不起啊，但是还是要激光啊。什么是激光，就是受激辐射的光。你不是有衰减吗

？我可以用数量取胜，我一个光脉冲就产生10^16个光子，接收端把这个光再转成电。

这个是最基本的原理，咱就不提那些复杂的调制编码技术了，什么偏振态调制，这都是

old school了。那么我再回到量子通信，每一个光子都是不可复制的，都是孤胆英雄，

损失一个就是一个误码。所以呢，这个系统得重新设计了。发生器要产生单光子，光纤

也得特种光纤，接收器更得极端灵敏。我们知道，在光纤里光子因为衰减而损失了，每

传输几十公里可以通过光纤放大器来补充兵员，这样形成了我们现在的长距离的光网络

。当然你也可以把光信号重新变成电信号，再变成光信号，一样达到长距离传输的目的

，但是会增加一些cost。在这个科普里你会反复看到cost这个词，因为工程最重要的就

是cost，你在实验室里能做成的事，不代表你能实用；如果不计cost，那么会产生很多

奇迹。所以大家看到一些所谓英雄实验的，得多问两句，在什么条件下，什么cost下做

的实验。这个是最容易作弊的。anyway，这个光纤放大器或光变电再变光的过程叫做中

继。在量子通信里叫量子中继。同学们，这个量子中继可不容易啊。纠缠光子牺牲了就

牺牲了，没法重生了。所以光放大是不行的。那么转成电信号呢？当然可以，但是你不

是纠缠光子了，电子很容易被窃听的啊。这个不就不安全了吗？我这么问是不是有点耍

流氓啊？

好了，我们说过每一个光子都是孤胆英雄，因为原理就是两个光子之间的纠缠态和其不

可复制性，所以我们没法像激光器一样以量取胜，10^16个光子代表一个比特。那么问

题来了，衰减怎么解决呢？一个光子的能量是大约6x10^-34J啊。这个光子牺牲了就没

法再生了。但这些对于我们量子通信大师们都不算事。虽然我不知道他们怎么解决的，

但是他们已经解决了这个近似不可能的任务。well，ok，I admit I lied。我看到的宣

传是已经可以建成了20公里3个节点（中继）的链状通路。当然我没看具体的论文。不

知道这个20公里是在实验室里的20公里光纤还是真的两个距离20公里的地点。还是那句

话，英雄实验要看环境啊。你铺在路下面的光纤，跺一脚颤两颤，或者温度变几度，好

说那偏振态就变了，坏说那个光子就飞了啊。所以大家了解这个量子通信的牛逼了吧。

光纤通信几十年的发展，不知道多少金钱的投入，就被我们伟大的量子通信大师轻易地

突破了瓶颈。作为中国人俺觉得无上的光荣啊。

好吧，闲话少说。利用光纤通信，是最简单的情况，因为光纤可以弯啊。当然光纤弯曲

会带来一些光子的泄露，好在激光产生的光子多，牺牲一点问题不大。在光通信里还有

一支叫空间光通信。就是在大气里传激光。总有地方不好装光纤啊，就好像无线上网一

样，虽然很多人已经在家里接上光纤了，还有很多人用无线的啊。空间光通信就好像无

线一样。但是，光通信是必须对上眼啊。大家在小学物理课都学过吧，一个激光器打到

月亮上不过碗口大的疤啊（别较真，可能比碗口要大点）。你不在这个光路上你就收不

到这个光啊。更严重的事，这个光在大气里衰减太厉害了。咱这是通信的光，不是打飞

机的光，功率得对人安全吧。但是一刮风，一下雨，一有雾霾，某人打个喷嚏，都会阻

断这个光路啊。这个空间光通信现在不太流行，就是因为严重不靠谱。工程讲可靠性，

几个9才能达到用户需求。这种靠天吃饭的技术几十年也没有大的发展。前文说到利用

光纤的量子通信。要我说，能实用的光纤量子通信已经是划时代的工程奇迹了。我们的

科学家们不满足啊！又搞了空间的量子通信。当然，我们说每一个光子都是孤单英雄，

激光用一支光子大军来穿过云雨和雾霾，光子就全靠自己了。这个似乎是个死结，因为

这个光子好像现在还没有能表现出什么超能力，除了孪生兄弟直接有心灵感应之外。但

是这个难不倒我们的科学家，我们不用高轨道的地球同步卫星。那个离地面好几千公里

，除了我们接着忽悠teleportation外，单个光子实在很难走那么远啊！怎么办？我们

用低轨道太阳同步卫星。这个离地大约500公里，英勇而且运气爆棚的光子还是可能达

到的。但是，这个低轨道卫星每天才经过地面一个点一次啊（卫星绕地球转，地球自己

也在转）。也就是说，在短短的不到10分钟的时间里，我们要完成地面和卫星的对准，

完成通信过程。如果天气不好，或其他原因没对准，就等明天了。这个似乎也不靠谱啊

？不！我们的科学家找到了一个完美的应用，那就是密钥传输。

这个就是所谓的狭义量子通信了。不管是空间还是光纤的量子通信，做的都是狭义的量

子通信，那个广义的量子通信是发论文用的。所以大家一定要分清楚。公平地说，想出

这个量子通信名字的人绝对是营销天才啊。现在量子通信在股市上炒的很热啊。咱们抛

开营销不谈，似乎这个狭义量子通信叫成基于量子纠缠态的密钥分发机制比较合适。当

然，反过来这个狭义的量子通信系统又给研究量子理论的物理学家们提供了一个实验平

台，所以国际友人纷纷竖起了大拇指夸我们仗义啊。

这个纠缠态的卖点是什么？不说带有科幻色彩的teleportation，最大的特点是安全。

前面说过了，不管你是干扰还是窃听，都在一定概率上会改变光子的偏振态，如果误码

过多，那么这个信道就不能用了，最快也得等明天了。当然，密钥的产生只是问题的一

部分，有密钥还得有加密的算法（cipher），cipher总还是经典的那些算法，这个和神

奇的纠缠光子无关。那么cipher是不是安全呢？那么下面就涉及密码学的最基本问题了

。你产生了一个密钥来加密要传的信息，这个密钥要和信息一样长才能保证绝对安全，

也就是所谓的一次一密。如果你密钥太短，那么就得重复使用，那么在获取足够样本的

情况下，总可以用统计方法来猜出明文，这个道理很简单吧？所以这个问题的本质是你

产生的密钥的长度相比你要加密的明文是不是足够长。那么你每天几分钟的量子通信产

生的密钥和你要加密的明文长度比是不是足够呢？again，我们要找到合适的应用。好

在，假设习主席要下达攻击命令，估计就一个“go”，这个密钥长度应该足够了。当然

，理论很美好，现实还是有些困难。安全是个系统问题。假设没有人的因素（据说大多

数的泄密都是人的因素），还要保证密钥始终是保密的。比如说你今天产生了密钥，你

存到电子设备里，那么量子纠缠态的不可窃听性就没有了。所以原理上，一定是端到端

的安全，也不能说从某天文观测站获取密钥，然后再用传统信道发到中南海习总床头。

爱耍流氓的你可能又会问了，你的密钥总得变成电子然后才能用加密算法加密明文吧？

就知道你会这么问，这个就得用到另一个大杀器了：量子计算机。同学们，通信离不开

计算，安全就不能在系统里存在一个weakest link。量子计算机可算是一个大热点了

，尤其近来，发展极为迅速。大家知道最经典的加密算法RSA，就是基于没有已知的能

在多项式复杂度下把一个大数分解为质因数乘积的算法的基础上的。什么是大数呢？现

在比较安全的应用要求实用2048bits的密钥。过些年会增加到3000多位。你可能会问，

为啥不再长呢？这个是现实的妥协，RSA要产生公钥和密钥也不那么容易，要产生大质

数，也挺费时间的。如果你有Linux环境的话，可以试一下，openssl genrsa -out

private.pem 2048， 这个会产生一个2048位的密钥。随时都可以试，不需要等卫星飞

过头顶啊。那么分解一个大数为两个质数乘积有多困难呢？2009年RSA挑战，科学家用

了几百台计算机和两年的时间来分解一个768位的数字。768位和2048位差的多远？因为

没有多项式算法存在，这个是2^768和2^2048的区别。这话说远了。大家都知道在量子

计算机下有一个经典的Shor算法是可以在多项式复杂度下解决大数分解问题的。几年前

，人们已经成功地用量子计算机解出来15=3X5，最近听说又取得了突飞猛进的进展，不

管3721地解出了21=3X7。我们的量子通信专家充分地意识到了问题的严重性，整个RSA

算法要完蛋了，不搞量子通信行吗？

当然密码专家也没闲着，just to be fair。现有的密码系统分两类，一类是以RSA为代

表的非对称加密，分公钥和私钥，一个用来加密一个用来解密；一类是对称加密，也就

是加解密用同样的密钥。遗憾的是现有的非对称加密都是基于类似于大数分解这样问题

的。这一类问题是有量子计算机的多项式解法的。大家要注意，Shor算法不仅是多项式

复杂度，而且相当简单。算法复杂度上我们称之为BQP (bounded error quantum

polynomial time), 记住量子计算是基于概率的。现在一些专家也在搞不基于这些BQP

问题的加密算法。另外，大家也普遍认为对称加密比较安全，量子计算机现在没有太有

效的办法来破解。量子计算也是对称加解密的，但是解决了通信双方的密钥共享问题。

狭义地讲，这个就是量子通信的全部现实意义，利用量子纠缠态产生理论上安全的，为

收发双方共享的密钥。实现了84年的2B论文。产生了密钥以后，就和经典的加解密没啥

区别了，黑客该怎么攻击还怎么攻击。

好了，说到这，这个科普就结束了。文中有错误，都是笔者的责任。和我国的量子通信

专家无关。当然，看好题目，本人拒绝为本文产生的任何后果负责。本人才疏学浅，自

娱娱人而已。祝我国量子通信专家继续辉煌，量子通信板块大涨长红。致敬！