量子加密通讯的过程和量子隐形传输

什么是信息？

信息的一个比较被认可的定义是1948年数学家香农在论文中提出的：信息是用来消除随机不定性的东西。

比如，盒子里有一个硬币，它可以是正面向上，也可以是反面向上，在打开前我们是不确定的。

然后我们打开盒子，我们眼睛看到的盒子硬币反射出来的光就是一个信息，因为它可以让我们消除正反面的不确定性，让我们得到一个确定的结果。

通讯最重要的要素就是信息，所以如果这个过程中没有涉及到信息的传递，那么就不能称为通讯。

而我们知道，信息传递的介质，光，声音，引力波等等都是以小于等于光速的速度传播的，这就是为什么说信息传递的速度要低于光速了。

什么是量子纠缠？

假如说一个盒子里有两个硬币，而这两个硬币的状态是随机的，那么在打开盒子前，盒子里面就有如图的四种可能。

一个电子类似于硬币，也是有两种状态，上旋和下旋。

一个盒子里有两个电子，这两个电子的状态也是随机的，那么在打开盒子观察前，盒子里的电子也是有如图的四种可能。

但是电子特殊的一点是，当两个电子靠的足够接近的时候，它们两个就可能发生一种变化，它们会释放出一个光子，同时两个电子进入了一个纠缠状态。此时两个电子就不是有四种可能，而是变成如图的只有这两种可能了，就是说两个电子的状态一定是相反的。

当我们把两个电子分开，放到两个很远很远的地方，这两个电子的这种关系依旧会存在，当我们测量其中的一个电子，发现它比如是上旋的时候，那么我们立刻知道，遥远另一个地方的那个电子一定是下旋的。

这里要注意一点，宏观世界里，在观察前盒子里的硬币是已经有了一个客观存在的状态的（比如是正面），可是对于微观的电子来讲，在测量前它是没有一个客观存在的状态的，它是处于上旋和下旋的叠加状态中，测量的过程才赋予了它一个确定的状态。

一旦进行测量之后，两个电子的纠缠态就会被打破了，变成了完全独立的两个电子了。

这就是量子纠缠，不仅是电子，光子，中子等等其他的粒子也同样可以有量子纠缠的现象。

量子纠缠并不能用作超光速信息传递，是因为，无论我们对A电子作何种操作，B电子附近的人都是无法知道的，他们不知道我们是否对A进行了测量，也无法知道我们对A进行的任何其他操作。无论我们对A做了什么，B处的人对B测量的时候都是有一半概率是上旋，一半概率是下旋。这个过程中没有任何信息可以通过两个电子之间进行传递。

那什么是量子通讯？

量子通讯，更严格的讲应该叫做量子加密通讯，这样称呼的话就没有那么多的歧义了。

在通讯的时候，我们为了让信息保密，不被别人知道，常常会对信息进行加密。

有一个密钥，是只有A和B知道的，利用这个密钥，A把信息进行处理加密变成一段密文，这样就算其他人截取了密文也不能知道A想传递的信息是什么。而B收到信息之后，利用手上的密钥把密文解密，就又得到了明文，知道A想传递的信息是什么。

可是经典的加密通讯，非常可能被破解，敌人可能通过破解或其他途径得知你们密钥，这样就可以随意窃听你们想传递的信息。

而量子加密通讯，理论上可以做到让敌人永远无法破解你们的通讯。

量子加密通讯有两条传输通道，一条传递纠缠粒子对（通常是纠缠光子），一条利用电磁波传输经典的信息。

第一步，A和B首先对依次收到到纠缠光子对进行处理，通过一组随机生成的偏振片。看是否能通过得到一组数据。

第二步，A和B互相把自己所用的偏振片组通过经典信息途径传递传递给对方，这样偏振片不相同的那些数据就被舍弃，A和B就得到了一组完全相同的，只有他们自己知道的密钥。

第三步，B将所得到密钥的一部分发给A，A检测如果和自己的密钥相符，那么就证明这个过程中没有其他人在监听，两边的数据是有效的。（这一步后面会解释。）

第四步，A将想传递的信息通过密钥加密成密文，通过经典途径传递给B，B用密文解密得到明文。

以上就是量子加密通讯的过程。

这里要说明一下。

在经典的通讯中，我是可以截取本来应该发给B 的信息，然后伪造完全相同的信息再发给B，这样A和B就无法发觉有人在监听。

而在量子通讯中，因为粒子的量子状态是无法复制的，一旦有人拦截了本应该发给B 的纠缠光子，他是无法复制出完全相同的一列光子发给B的，那么第三步中，A就会发现B发给自己数据和自己手上的数据不相同，立刻可以发现有人在监听。

所以说，从理论上，量子加密通讯是无法被破解的，可以做到绝对的安全。

还有一种更魔幻的量子纠缠应用，就是量子隐形传输。

量子隐形传输就是科幻电视电影里所说的传送装置。

假如我们用量子隐形传输来传输人（理论上可行，但是实际操作起来我觉得永远都不可能做到）。

过程就是，A处和B处有大量互相纠缠的粒子，A处的人和纠缠粒子相互作用并被摧毁（根据量子学定律这是必然的）。一系列数据通过经典途径以光速传到B，然后遥远的B处利用这些纠缠粒子和从A传过来的数据生成了一个和A处完全相同的人，这个人拥有原来那个人所有的记忆和意识，他只觉得自己突然间从A 传到了B。

怎么理解量子隐形传输呢？

量子隐形传输，是一种容许我们把A处粒子的量子态传输给B处的一个粒子的技术。是一个很复杂很难理解的过程。这里就不详细描述。

我们这里只介绍一种更加容易理解的情况。

那就是把一个已知状态的粒子（比如上旋的电子），把它的状态传递给遥远地方的另一个电子。

第一步

我们需要在A和B有一对纠缠的电子，我们把A处的纠缠电子同需要传输的电子放到一起。

第二步

对这两个挨着的电子进行测量，但是不是直接测量它们各自状态，而是去测量比如它们两个的状态是相同还是不同。

第三步

如果A处两个粒子的状态是相同的，我们发出信息让B处的人用磁场将纠缠粒子旋转，于是B处的的纠缠粒子就变成了上旋。

如果A处两个粒子的状态是相反的，那么我们发出信息告诉B处的人不用做任何操作，B处的纠缠粒子本身就是上旋的。

同样，对于一个不知道量子态的电子，也是可以做到无损的把它的量子态传输给B处的某个电子的，只是过程要复杂的多。

而这一过程为什么叫做隐形传输，是因为这个过程需要传输的信息（比如要B处进行旋转操作，或者不操作）对于B以外的人是完全没有任何意义的，你不可能从中得到任何信息，只有拥有另一个纠缠粒子的B才能让这条信息变得有意义。