量子纠缠如何实现通信？

一百年前量子革命，国人正在革自己的命，基本没挨上边；五十年前量子力学结出硕果计算机，中国正在革列强的命，基本没得空闲；如今，量子理论步履蹒跚难得寸进，中国终于如火如荼搞起了量子通信！

量子纠缠起源

复习一下量子力学的八卦往事。当年薛定谔为德布罗意凑了个波动方程，提出粒子随机出现在各位置上，以玻尔为代表的“哥本哈根学派”觉着很有创意，于是大旗一挥：上帝在掷骰子，世界是随机。以爱因斯坦为代表的“经典物理学派”觉着，小薛步子太大，扯到蛋了，没本事发现隐藏变量，非说上帝在掷骰子，于是振臂一呼：上帝不掷骰子！

既然物理学家喜欢摇骰子，咱继续拿骰子做比喻。骰子落定之后，点数便确定了，如果现在开，是大，那么以后开，也还是大，无论什么时候开，大就是大。虽然摇骰子的变量非常复杂，但如果把所有变量都确定，比如碰撞角度、骰子弹性、空气阻力、月球引力、地球自转、分子振动……理论上可以预测骰子点数。这就是普罗大众的认知，也是经典物理学派的主张。

哥本哈根学派的意思是，骰子落定之后，点数仍不确定，现在开是大，待会开就可能是小，不同时间开，大小不一样，所以没开之前就叫“叠加态”，点数是随机的，开大开小的概率按照小薛波动方程计算。把“骰子大小”换成“猫的生死”，就变成了大名鼎鼎的“薛定谔的猫”。

前文说过，所谓衰变就是原子核的分裂，原子核之所以分裂，是因为组成原子核的粒子随机出现在不同位置上。比如，原子核由A和B两个粒子构成，AB同时出现就代表原子核没分裂，AB出现在不同地方就代表原子核分裂，发生了衰变。

如果原子核衰变就触动开关打破毒药，弄死猫；如果原子核不衰变，猫就没事。因为衰变是叠加态，延伸到宏观世界就把猫的生死也描述成了叠加态。

薛定谔的猫还原回物理表述就是：如果只有一个放射性原子，它是否发生了衰变？

哥本哈根学派认为粒子的行为是随机的，所以衰变也是随机的。但是，几百年的牛爷理论认为，事物都是在规则支配下精密运行的，随机论让人无法接受，就好比勤勤恳恳的学生突然发现考试“及格”和“不及格”是随机的。

爱因斯坦觉得分分钟就能终结这个话题，于是提出了量子纠缠：假设有2个处于纠缠态的骰子，分别在不同的地方摇，如果两边都不开，那么骰子就处于大和小的叠加态，即点数是随机的，一旦其中一个开出的结果是大，那么另一个就算还没开，也会瞬间变成小。也就是说，观察其中一个骰子，会决定另一个骰子的大小，这种瞬间的信息传递不符合相对论。爱因斯坦呵呵道：你们总不至于认为世界会这么荒唐吧？

好在那个年代的物理学已经习惯荒腔走板，再出什么奇葩，大家至少不会惊掉下巴。量子纠缠原本是爱因斯坦为经典派请来的打手，结果却帮着哥本哈根派把经典派揍得鼻青脸肿。薛定谔的猫一路高歌猛进，最终形成了量子信息论！喜欢专业术语的同学，可以搜索关键词，咱就不显摆这些半懂不懂的冷僻知识了：薛定谔的猫->EPR佯谬->隐变量理论->贝尔不等式->GHZ定理->Mermin->Cabello定理->量子信息论。

2000年开始量子信息理论形成独立的学科，标志着量子纠缠开始走向应用。

量子纠缠机理

一个字：瞎。

这就好像古人学会燧木取火时，完全不知道燃烧的化学反应式。

量子通信

虽然观察到了量子纠缠这种“心有灵犀”的关联，但对于本质机理的两眼一抹黑，应用肯定是浅层的。其中，量子通信相对靠谱一点点，不过也就是一点点而已。

本僧就以“墨子号”为例，不负责任的胡扯一通。

用于通信的纠缠粒子通常是光子，光子比实物粒子更方便传播，电子在大气层里不可能乖乖跑出很远。

首先在卫星上制造一对纠缠光子，未测量前，谁也不知道两个纠缠光子谁是1谁是0。我们称之为“未翻牌状态”，就好比骰子在打开之前，点数并不确定，处于大和小的叠加态。

然后把这对光子分别发送给两个地面接收站。

未翻牌的光子很敏感，只要被观察或测量，一言不合就翻牌。如果敌方监听了这个光子，那就等于翻了牌，另一个光子就会自动翻牌，同时接收方就接收不到光子，这对纠缠光子传送失败，属于无效信息。

未翻牌的光子才是好光子，翻过牌就只能扔了，然后再制造一对纠缠光子，再发射，直至接收成功为止。

确定双方都拿到牌了，接着，用特定方法测量纠缠光子，相当于“翻牌”，一旦测量得到一个状态，那么另一端的光子也会瞬间变成与之对应的状态。这样，一个信号就算传输完成了。比如这边测量得到1，那边就肯定是0。

然后就不断发牌，不断翻牌，不断剔除无效牌。问题来了，因为翻牌前自己也不知道什么牌，所以翻牌后得到的是无规律的信息，比如“小、是、才、学、天、僧”。

那怎样才能把无意义的信息变成有意义的？需要一组编码！

某一方根据自己翻牌的情况编码，再把编码规则用传统方法发送给另一方，比如“1、4、6、2、5、3”。注意，这是用传统方法发送的。

接收方按照这个顺序，把原本没意义的信息按编码排列，得到一个惊人的事实：小学僧是天才！

通信完成。

注意，量子通信要依靠传统通信才能完成。整个过程中，“小是才学天僧”这个随即的信息是通过量子通信（即量子纠缠）完成的，无法破译，但编码“146253”是通过传统通信完成，可以被监听，只不过仅仅一个编码被截获毫无意义。

有规律的信息可以被截获，不能被截获的信息没有规律，但把这两者结合就能完成量子通信，没看明白的回头再捋一遍。

纠缠光子

量子卫星通信的难点在于“制造纠缠光子”和“探测纠缠光子”。

光子的发射方向性很强，不像电磁波是巨大的扇形，所以需要对准接收器。说实话，我到现在都在疑惑，这是如何做到的？你想想，墨子号卫星的速度大约8km/s，在500km高空，同时向相距1200km的青海德令哈站和云南丽江高美古站发射光子，卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对，地面站以每秒一对的速度从中分辨出谁和谁是纠缠态。

有人打了个比方：从万米高空飞行的飞机上，不断把上亿个硬币准确投入持续旋转的储蓄罐狭小的投币口中，你还得在相距上千公里的两地，找出哪两个硬币属于纠缠对。

科学史上有许多乌龙事件，意呆利曾在LHC上发现过超光速，美日德的科学家也曾宣称实现了“冷聚变”（不知道聚变意义的同学出门左拐《核弹从良记》）。不过，中国这次量子通信怎么看都不像是乌龙……好吧，我认个怂：太过先进，无法描述。

相比来说，“制备纠缠光子”这事看起来就和燧木取火一样简单了。看过一篇潘建伟老师的博士的文章，关键词：非线性晶体BBO偏硼酸钡。当光子打在BBO晶体上，有一定比例的光子被劈成两半，这两个光子的极化方向是相互垂直的。

所谓的极化方向可以理解为光子振动的方向。我们知道光是一种电磁波，是波就有振动，有振动就有方向，所谓纠缠光子，就是一个竖着振动，一个横着振动，一个代表1，一个代表0。“翻牌”前，不知道谁是横的，谁是竖的，翻牌之后发现自己是竖的，那么对方就是横的，以此代表信息里的1和0。

材料制备才是真正的核心科技，这个晶体貌似中国最拿手，这也是量子通信领先各国的根本保障。

光子劈开前是这样的：

劈开后形成纠缠光子：

“光子”可以理解为“光束”，光束就是一堆堆的光子，量子通信在形式上和手电筒打信号差不多，你在太空亮手电筒，我在地面数几长几短。所以量子通信的弊端非常明显，比如，光信号的损失，此前国内外地面实验的量子纠缠分发距离一直停留在百公里量级。再比如，白天背景光线强烈，只能在晚上打信号，遇到雨天雾霾也不行，必须在晴天打信号。还比如，卫星与各地面站距离很讲究，打信号的时间窗口目前只有300秒。总的看来，量子通信离成熟应用还是有点距离。

量子光纤

光子可以用卫星传播，也可以用光纤传播，这方面的应用其实已经很多了。2004年，奥地利银行利用量子通讯技术，把一张重要支票被从市长处传至银行，2007年，瑞士全国大选的选票结果也采用了量子通信技术。虽然有点扯蛋，但也说明量子通信并没有想象中那么科幻，可以搜索《量子通信网络发展概述》这篇文章，把各国情况罗列了一遍。

量子光纤的问题在于传输衰减更严重，纠缠光子信号又无法复制放大，导致传输距离和容量都有限，常年停留在百公里量级。不过光纤好歹不受天气影响，比卫星更有实用性。

突破距离限制的核心技术在于可信任量子密钥中继站，相当于先接收光信号，再把信号放大继续发送到下一个站点，像接力棒一样传递信息。

无论是卫星还是光纤，从量子通信的原理上看，实质上就是量子密钥分配技术，并不传输实质内容。所以，有人认为密钥分配就可以统称为通信，而有人则认为通信务必要传输内容，量子通信的定义其实有不小的争议。