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谈谈量子通讯

精选

2016-4-3 11:07

阅读：20410

从来没有牛顿，

扯什么爱因斯坦？

我就是牛顿，

我就是爱坦。

喝令量子单态传话，

我来了！

量子通讯其实很简单的，无外乎量子力学规律的简单应用而已。我从来没有做过量子通讯方面的工作，只是在十几年前读过几本书，却也不觉得理解它有什么困难。

很多人觉得这玩意儿很玄，也许只是因为他们纠缠于哲学问题。如果你一定要从哲学的高度搞清楚这个问题，确实有可能会碰到很大的困难。物理学只是描述现实世界，只回答“怎么样”这个问题，而不愿意或不能够回答“为什么”这个问题。费曼说“没有人懂量子力学”，其实就是这么个意思。当然，费曼只是个小人物，他说的话是算不了数的。那么，大人物爱因斯坦是怎么说的呢？“老天爷不玩骰子”？不，不是。“苍天仿佛诸葛亮，虽有鬼神莫测之机，却竭忠汉室、鞠躬尽瘁。天何言哉，天何言哉！”（Lord is subtle, but not malicious……）？不，也不是。爱因斯坦是这么说的：“这个世界最不可理解的，就是它竟然是可以理解的。”

量子不可克隆原理保证了量子通讯的绝对保密性，但是在工程实现上，还是有很多技术性的问题。我们简单谈谈这些问题及其解决方案。我说的都是十几年前的东西，但是现在也不会有什么太大的变化，其实在BB84的时代，大家就都懂的。再次强调，原理是简单的，困难在于技术实现。

大致分为几个部分。单光子源；单光子状态的设置；单光子探测器；单光子状态的检测；单光子的传输；中继问题。当然也免不了要谈谈效率问题。

单光子源。单光子源是很容易做的，困难的是制作高效率的单光子源。

光是量子化的，任何光源发出的光，只要衰减足够的倍数，就可以视为单光子源。随便拿个激光器，就可以用作单光子源，但最容易理解的，还是脉冲激光器。在脉冲激光器里，每个脉冲的能量是一定的，每个脉冲包含的光子数目也就是大致不变的，比如说100万个。在激光器的外部光路上，用衰减片把光束衰减足够多的倍数，比如说1000万倍，那么，每个脉冲里平均只包含0.1个光子，也就是说，每10个脉冲里，大致有1个脉冲包含1个光子，其他9个脉冲没有光子。这就是个单光子源了，但并不是很好的，因为有时候1个脉冲里也会有2个光子，这种情况发生的几率大约是1个光子的1/10：这是个随机过程（更严格点说，是所谓的泊松过程）。如果你不满意，那么可以降低平均光子数，比如说降到每个脉冲平均0.01个光子，那么，100个脉冲里才有1个脉冲包含1个光子，而100个包含光子的脉冲里，只有1个包含2个光子。这种方法你尽可以用，只是效率太低了。

还可以用单个原子来作光源。发光无非就是这么一个过程：原子中的电子受到激发，跑到更高的能级上，在那里呆一会儿，再发出一个光子、同时自己跑回到原来的能级。一个电子每次只能发出一个光子，显然，只要把这些能够发光的原子分别隔离出来，每次只激发一个电子，就可以得到单光子源。所以，单光子源可以是单个原子。也可以利用固体中的单个发光中心：可以是天然的（比如说，金刚石中的NV色心），也可以人工制备的（比如说，半导体单量子点）。原则上什么方法都可以，差别就在于好用不好用（包括量子效率、器件寿命、操作难易程度，等等）。

单光子的量子态的制备。这就更简单了，具体方法跟经典光学是一样的。有了单光子源，制备单光子的量子态，就是个编码的过程而已。编码可以用偏振，也可以用相位，具体方法跟经典光学是一样的，就是偏振片、半波片、四分之波片、或者各种干涉仪什么的。编码过程带来的损耗，可以计入到单光子源的效率里面，也就是说，可以认为有个理想的编码系统，但是单光子源的效率下降了一些。还有一种特殊的编码方法，就是所谓的EPR纠缠，这种方法没有经典类比，虽然从量子力学的角度来看，也没有什么特别怪异的地方，但它确实容易招惹是非，所以我就不多说了。

单光子探测器。这是对光产生响应的探测器，不过它非常灵敏就是了：单独一个光子就可以让它产生响应。这样的探测器，现在的实验室里都能够找到。人的眼睛大概能响应10个左右的光子，有些奇材异能之士，甚至能够看到单个光子，至少有些青蛙是可以做到的（我记得有篇PRL文章用实验证明了，青蛙眼睛的感光细胞达到了单光子探测的水平，并用这种探测器证明了某个单光子源的单光子特性）。半导体雪崩二极管更是可以达到单光子探测的水平。与单光子光源类似，单光子探测器并不难，难的是响应的波长范围要合适，效率要高，而且噪音水平要低、非常低。

单光子量子态的检测。类似于单光子量子态的制备。单光子先通过适当的偏振片、半波片、四分之波片、或者干涉仪，然后再进入探测器，就可以检测了。当然，这些检测并不能超出量子不可克隆原理的限制。

还有个问题必须回答。你说你有单光子源和单光子探测器，可是，它们真的能够每次发射单光子、能够检测到单光子吗？我凭什么相信呢？当然要检验了。先假设你的探测器能够对单光子有响应，需要注意的是，我们并不要求这个探测器能够分辨是一个光子还是两个、三个光子——通常的单光子探测器其实是无法区分这些情况的。在单光子入射光路上，放置一个半透半反镜，也就是说，入射光一半反射、一半透射，在反射和透射光路上各放置一个单光子探测器。然后，看这两个探测器的“关联响应”。如果真的是每次只有一个光子的话，它要么透射、要么反射，也就是说，两个探测器不可能同时探测到信号。这样做很多次，如果每次都是只有一个探测器有响应（也可以是都没有响应），说明我们测量的对象就是单光子源了。这种方法还可以衡量单光子源的质量好坏，它在多大的程度上是个理想的单光子源。有了单光子源，你就可以检验你的探测器是不是达到了单光子的水平。当然，这其实是个相互检验、相互提高的过程，如果光源和探测器达不到你的要求，就去自己设计、加工、制作，当然，还有个更简单的方法：花钱买，有钱能使鬼推磨，买个把满足要求的单光子源、单光子探测器，那还不是小意思嘛。

有了单光子光源、探测器，能够制备和检测单个光子的量子态，就可以进行量子通信了。量子不可克隆原理保证了，这种通信是不可能被破译的。

走出实验室，进入真实世界，量子通信还会碰到另外一个问题：信息传输效率的问题。在光源和探测器之间，总是有一定距离的，单个光子需要通过某种媒介进行传播，这就会引入损耗。下面就谈谈损耗的问题。

大致有两种传播方式：自由空间传播和光纤传播。损耗也大致分为两类：对准带来的损耗和吸收带来的损耗。

自由空间传播就是把光源和探测器排成一条直线，因为光是沿着直线传播的。这时候的困难主要是，很难对得非常准，比如说，两地相距1000公里的话，发射和接收的望远镜的口径是1米，那么方向对准就要达到1个微弧度。还会有衍射的损耗（波长1微米，望远镜口径1米，衍射角度大约也是1个微弧度）。地球表面是弯曲的，更是限制了这种传播的长度，连100公里都很难做到——卫星不存在这个问题，但是卫星是高速运动的，对准就更困难了。这中间还会有空气吸收导致的损耗，但这不是主要矛盾。

光纤传播没有对准的困难。单光子在单模光纤的纤芯里传播，光纤想怎么扭就怎么扭，只要两头各在光源和探测器那里就可以了。顺便说一句，光子进出光纤总是要有些损耗的，但是这些都可以简单地看作是单光子光源的量子效率有些降低了。光纤传播的困难主要是吸收损耗，即使选择最纯净的物质，选择最合适的波段，光纤的吸收长度也到不了100公里。为了简单起见，我们可以认为，一个光子经过100公里光纤后，有一半的几率损失掉了（我们的讨论跟100公里这个数字没有直接关系，换成50公里也是一样的）。要想传播1000公里，就需要发送很多次单光子，这一头每发送$2^{10}$次，才会有1个单光子从那一头出来。效率太低了。

简而言之，在实验室里，量子通信是没问题的，相隔几十公里，也没有太大问题。问题在于，真实世界中的通信距离，往往是几千公里。怎么办呢？

关于卫星通讯，我们就不多说了，卫星之间的通信和卫星与地面的通信，都是自由空间传播，只要跑得近、对得准就可以了。近地卫星可以在一两百公里的高度飞行，两个卫星也总可以等到靠近了再通信，所以距离没有问题。困难在于高速运动的光源和探测器之间如何对准，这是个问题，但不是量子力学的问题，经典物理学就可以解决，最多再加点相对论的知识。所以，我们就不多说了。

利用单光子的方法，可以实现100公里以内的通信（如果我没有记错的话，200公里也已经实现了）。但是，地球上相距很远的两个地方，比如说1000公里，如何实现量子通讯呢？

其实也很简单。既然能够实现100公里的通信，那么一段一段地接起来，就好了。饭要一口一口地吃，路要一步一步地走，这通讯嘛，也可以100公里、100公里的做嘛。这就是个信号中继的问题。这又分为两大类，经典中继和量子中继。

最简单的就是经典中继了。把1000公里分成10段，用中继站连接起来。每两个中继站之间采用单光子通信，量子不可克隆原理确保了每段通讯是没有问题的。中继站里再把前面接到的信息传送到下面去，这里就有问题了：这种方法不能避免中继站获取上家的信息，而中继站并不一定是完全可信的。敌人只要占领了中继站，就可以进行所谓的中间人攻击，把上家的信息留下来，把自己的信息传出去。这个道理很简单的，中国人两千年前就做过了——随便哪个听过三国故事的人都知道：吕子明白衣渡江，关云长败走麦城。吕蒙干的第一件事情，就是拿下了关羽的烽火台。过五关斩六将、水淹七军威震华夏的关二哥，就这么不明不白地给干掉了。出师未捷身先死，常使英雄泪沾襟。

忘记过去就意味着背叛。殷鉴不远，其在夏后之世。作为炎黄子孙，我们一定要牢记忠义神武关圣帝壮缪公的惨烈教训，经典中继这件事情是万万不能干的了。怎么办？

这就要靠量子中继了。量子中继不是量子放大或复制，量子不可克隆原理禁止你复制量子态，更别提什么放大了。量子信号完全依赖于单个光子，不成功、就成仁，没有其他办法了。怎么办呢？量子中继并没有复制量子态，他实际上是做了某种测量，确认一下单光子有没有开小差，他承担着信息传送这个艰巨而又光荣的任务，真不能随便就撂挑子不干啊。但是，这种测量并不要求中继站知道单光子的量子态到底是什么，其实他也根本不可能知道，他仅仅是确定一下，这个单光子还在干革命、没有开小差，然后就让这个单光子接着往下一站跑。所以这种测量并不违反量子不可克隆原理。你可能会问了，就这么简单？光子本来跑不了1000公里，你每隔100公里看他一眼，他就精神焕发、一路小跑跑到底了？你不是忽悠我吧？我只能说，这个方法的可信程度是跟量子不可克隆原理一样的。测量意味着对系统的干扰，连续测量意味着量子系统更容易呆在原来的状态不动。西方有句老话，“盯着看的水壶烧不开”，东方也有句老话，“别人家的孩子长得快”，说得就是这个道理。至于说为什么是这么个道理，对不起，没有人知道为什么，费曼不知道，爱因斯坦也不知道。我们只知道，这个方法有个好听的名字，叫做“量子芝诺效应”，其实就是惠施、公孙龙等前辈们讨论的“飞矢不动”的量子版而已。我们还知道，有许多方式可以实现这种观测，比如说，高品质共振腔中的单原子，或者是EPR纠缠对的Bell测量。但是呢，这些方法要么涉及到薛定谔家那个要死不活的猫，要么涉及到波恩家那个优柔寡断的波函数，总是在哲学上扯来扯去地扯不清，我也就不扯他们了——人贵有自知之明。

简单地说，量子中继并没有复制单个量子态，他只是检测带有信息的单光子是否到达了中继站，如果到了，就让他接着跑，如果没有到，就通知上家重新发送一次。还是用些数字来说明吧。假定单光子经过100公里会有一半的几率损失掉了，而我们想把单光子传送到1000公里以外。我们可以用一根1000公里长的光纤，只要发送很多次就可以了，每发送$2^{10}$次，才会有1个单光子被接收到。原则上是可以进行单光子通信的，只是效率太低了。我们也可以把这1000公里分成20份，每50公里看他一眼（进行测量确认单光子是否存在），那么只需要几十次发射就可以让一个单光子接收到了。这只是通讯效率提高了几十倍，并没有本质上的差别，量子中继器也不知道传送的到底是什么信息。

差不多就这么些了。单光子源和探测器，单光子状态的制备和检测，单光子的传输和损耗，经典中继和量子中继，原则上，量子通信信道的保密性是确实无疑的了。

但是，在进行通信的时候，保密性并不是唯一因素，传送效率也非常重要。如果一天只能传送一个字，那么保密性再高也不一定有意义：你的保密信息还没有传到对面，可能就已经过时了——毛主席说，一万年太久，只争朝夕。量子通信的实际应用中最大困难在于如何尽可能高地提高传送效率。现在采用这种方法来传递公共密钥，只是因为现在的量子通信线路的效率只能达到这么高而已，做不到一次一密地传送所有信息。所以，高亮度的单光子源（单位时间内发射尽可能多的单光子），高效率的单光子探测器（背景噪音尽可能低），高保真度地制备和检测单量子态，高可靠性地实现量子中继，就非常重要了——可惜的是，这些显然都不可能在这里详细介绍了。

哲学家们只是用不同的方式解释世界，重要的是改造世界。

附录：

[1]量子通讯基础： DirkBouwmeester, Artur Ekert, Aton Zeilinger, (Eds.), The Physics of Quantum Information,Springer 2001

[2]民谣一首：天上没有玉皇，地上没有龙王。我就是玉皇，我就是龙王。喝令三山五岳开道，我来了。