维嘉优配突破极限：量子互联网的无限可能

我们中的很多人将自己的生活上传到互联网上。银行业务、工作邮件、社交媒体、约会资料、医疗记录——所有这些都是敏感信息。可是量子技术在飞速发展，今天保护我们上网的加密算法不久可能被量子计算机瞬间破解。这样的前景不能不让人恐慌。

不过，量子的破坏也可以通过量子来补救。如果建立一种新型的互联网——量子互联网，原则上说，我们可以百分之百安全地传递密钥。此外，量子互联网还会给我们带来意想不到的用途。

当然，构建量子互联网是一项巨大的挑战，但基础已经奠定，我们迟早都会加入量子信息高速公路。现在，我们正处在一个新的信息时代的门槛上。

量子计算机威胁到互联网的安全

传统的计算机以二进制的0或1为信息单位。1个0或1称作1比特;2个0或1的组合，例如00、01、10、11，称作2比特，如此等等。你的每封电子邮件、每张照片都是以比特的形式传输和存储的。

如果从量子的角度看，这就相当有限了。我们知道，微观粒子有一种诡异的量子特性，即可以处于一种属性不确定的状态，比如同时处于两个不同的地方或者不同的能量。这些量子态极其微妙，但学会操纵它们，你就能存储以量子比特为单位的量子信息。1量子比特不仅能编码0或1，还能编码0和1按任意比例的混合;2量子比特不仅能编码00、01、10、11，还能编码四者按任意比例的混合;如此等等。

物理学家目前已经制造出能操纵几十个量子比特的量子计算机原型。当它们发展到足够强大时，有望超越任何传统的计算机，届时将在设计新药和先进材料，解决工程和物流方面大显身手。

但也正是量子计算机威胁着传统互联网的安全。今天许多保证互联网安全的加密算法都基于传统计算机无法快速解决的数学问题，比如对一个非常大的数做质数分解，通常是非常困难的，以现有的最快速度计算，有时也要花数百年时间。但是，一台足够强大的量子计算机可以瞬间完成这项工作。这将破坏互联网通信的安全。虽然要研制出这种量子计算机估计至少还要10年时间，但问题已经迫在眉睫。

什么是量子通信?

要对抗量子计算机的威胁，最好的办法是实施量子通信。所谓的量子通信，就是利用量子的特性传递经典比特(而非量子比特，因为信息只有以经典比特的形式才能被我们解读)的信息。量子通信借助了微观粒子的另一种诡异的量子特性——量子纠缠。

什么是量子纠缠?简单来说，就是两个或多个微观粒子之间存在一种非常紧密的联系，使得它们的状态无法独立描述，而只能作为一个整体来描述。比如，如果A和B两个电子发生量子纠缠，总自旋为零，那么此后，我们就只能把它们当做总自旋为零的一个整体来描述。这会给我们带来一个意想不到的好处：譬如，现在远远地将它们分开。分开后，我们只知道它们总自旋为零，而不知道它们各自的确切状态。换句话说，A、B电子各自处于自旋朝上或自旋朝下的不确定状态。现在，你要是对A电子操作，譬如测量到它处于“自旋朝上”的状态，那么为了保持总自旋为零这个纠缠条件，B电子瞬间就自动选择“自旋朝下”的确定状态了(本来B电子处于不确定状态，按理，既然没有对它直接操作，它应该始终处于不确定状态)。换句话说，你对A电子的操作会瞬间影响到B电子，这种影响的传播是不需要时间的。

量子通信为什么非常安全?

那么，量子通信是如何实现的呢?它为什么能非常安全地传递密钥呢?下面我们通过一个简单的例子来做说明。

假设爱丽丝要向远方的鲍勃传送一条二进制编码为“01”的2比特信息。现在，爱丽丝生成了一对量子纠缠的电子A和B，她把B电子发送给鲍勃，自己手中留下A电子。我们不妨事先约定，电子自旋朝上的状态代表“1”，自旋朝下的状态代表“0”。

鲍勃收到B电子后，就对其进行测量。比如，他测得的结果是自旋朝下，也就是“0”。他的测量瞬间就影响到了爱丽丝手头的电子A，使其自旋朝上，也就是“1”。爱丽丝通过观察电子A的状态，就可以判断，鲍勃接收到的信息是“0”。但这不符合她的要求(因为她要发送的是信息是“1”)。于是，她就或者通过打电话，或者通过微信，告诉鲍勃，这次通信作废，重新再来。

然后，爱丽丝重新生成一对量子纠缠电子C和D，把D发送给鲍勃，C留在自己手上。重复上述过程，直到爱丽丝知道鲍勃收到的信息是“1”为止。接下去，如法炮制，传递第二比特的信息“0”。

那么，假如爱丽丝发送给鲍勃的B电子被窃听者半途拦截了，会发生什么事情呢?

窃听者要想获得信息，也必须对B电子进行测量。但麻烦的是，他只要一对B电子测量，他的操作瞬间就能影响到爱丽丝手头的A电子。爱丽丝观察到A电子发生了变化，就打电话给鲍勃：“喂，鲍勃!刚才对电子测量的是你吗?”而鲍勃则回答“没有啊，我没收到你的电子。”(窃听者对B电子进行测量后，原则上当然可以继续让其传递到鲍勃那里，让鲍勃完全不知情，但问题是，他一测量，就会引起爱丽丝的注意，然后爱丽丝就会向鲍勃询问。)爱丽丝一下子就明白了，B电子一定是被窃听者拦截了。于是，她就对鲍勃说：“看来有人窃听，刚才这次通信作废，重新来过。”(注意，这些对话不需要保密，哪怕被窃听去也无所谓。)这样一来，窃听者之前的努力就全白费了。换句话说，在量子通信中，窃听者要想窃听而又不泄露自己的存在，那是不可能的;而一旦泄露，他的努力就前功尽弃。

从上面的例子中我们已经看到，量子互联网并不是要完全取代传统互联网，相反，通信双方一系列的对话，还是要借助传统互联网;量子互联网只是要在传统互联网的基础上加建一层量子通信线路，用于传递量子纠缠的粒子，这样用户就可以共享一个密钥。

未来，量子互联网建成之后，我们还可以把分布于世界各地的量子计算机连接起来，形成一台量子超级计算机，完成更加复杂的计算。用户还可以在量子计算机上远程运行程序，甚至连量子计算机的所有者都无法窥探到运行结果。这就是所谓的“盲量子计算”，即用户在数据始终保持加密的状态进行计算。盲量子计算可以让任何人使用量子计算机，而不会有敏感数据被窃取的风险。

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