量子史话（30）量子保密通讯，量子隐形传态，量子计算机都是啥

　　虽然在量子力学中还有很多的难题，比如量子纠缠，我们并不知道两个相互纠缠的粒子怎样保持内在的联系，还有量子的叠加态，我们无法想象处在叠加态中的量子是一个怎样图景。
　　但是这并不妨碍，我们利用它们为我们服务，就像是很少有人能知道汽车的工作原理，照样一脚油门都能飙车。
　　今天我们就说下，大家比较关心，也容易产生误解的三个最前沿的科技，量子保密通讯，量子隐形传态，量子计算机，这三项技术就直接应用到了量子的叠加态，量子纠缠，这两个量子力学中最神奇的现象。
　　先说，量子保密通讯。
　　在量子保密通讯中，最重要的就是保密两个字，把保密两个字直接给扔了，这万万不能。
　　因为丢了保密两个字，就跟这项技术彻底的背道而驰了，而且还容易让人产生误解，认为我们现在正在研制突破光速的通讯方式，尤其是在2017年我国发射的世界上第一颗量子通讯卫星墨子号成功的实现了从太空到地面的量子密钥分发。
　　不明白的人，还以为成功实现了天对地的超光速通讯。其实不然，就像我上面说的，并不是量子通讯，而是量子保密通讯，或者说具体点就是量子密钥分发。
　　这项技术只是用量子的测不准关系，以及叠加态原理，对信息进行加密的一种手段，说白了就是一种量子密码系统而已，实际上的信息传递，还需要依靠经典的通道来进行，依然受到了光速的限制。
　　再说量子密码之前，我们先了解下经典的密码系统，关于信息传递的保密技术由来已久，我们最熟悉的就是在谍战片中，看到的情形。
　　地下工作者，现在想给潜伏在敌人内部的同事传递信息，比如：今晚行动，这四个字，如果直接在纸条上写出这四个字，要是在中途，或者事后被人截获、发现，那后果就严重了。
　　不过，公开密钥系统的关键在于专用密钥，必须具有绝对的、无条件的安全性，才能保证整个密码系统不被破解。
　　怎样变化？这就需要传递信息的人和接受信息的人事先约定好变换的规则，假如它们约定数字10代表了汉字今，6代表了晚，7代表了行，4代表了动，等等，它们还可以约定很多的数字，代表什么汉字。这个约定的变换规则就是密码本，或者说是密钥。
　　这样它们传递信息的时候，就只需要在纸上写一行数字：10、6、7、4，就可以了。把想写的话，变换成数字。
　　接受信息的人，通过密钥就能翻译出原文，这样就完成了一次保密通讯。这样的加密系统，也被称为对称密码系统，或者是私钥密码系统。
　　从私钥密码系统这个词就能看出来，这样的加密规则，只有接收方和发送方两个人知道密钥的形式，不过这种密钥形式很容易出现漏洞，然后被破解，例如，他俩在经过多次的通讯之后，窃听的人就能从中很快发现规则，破解它们的密钥。
　　而且当他们知道自己的密钥已经被破解以后，就需要再次约定新的密钥，而约定的新密钥在分发的过程中，还有可能被人窃取。所以这种私钥密码系统，安全性并不高。
　　所以就有了非对称密码系统，也就是公钥密码系统，也就是接收方先弄一个极难破解的专用密钥，这个密钥只有它自己一个人知道，然后根据这个专用密钥，再衍生出一个公开密钥，他就可以把这个公开密钥向外公布给所有人，任何人都可以用这个公开密钥把信息加密以后，传送给他。
　　接受到信息以后，他就可以利用自己的专用密钥，翻译出原文。公钥密码系统的优点在于，依靠专用密钥衍生出来的公开密钥，不怕被窃听，就是直接公开的，如果没有专用密钥，很难破解出原文。
　　不过，公开密钥系统的关键在于专用密钥，必须具有绝对的、无条件的安全性，才能保证整个密码系统不被破解。
　　这个问题好办，我们都知道，将两个质数相乘可以轻松地得到一个合数，但是想要将一个合数分解出它的两个质因数却比较困难，而且随着合数位数的增加，这个难度会呈指数级增长。
　　这就是大数不可分解性，我们将15进行质因分解会得到3和5，看起来很简单，这是因为15只是两位数，如果我让你分解10949769651859，懵了吧。
　　不仅你分解不出来，数学家它也分解不出来，因为目前对于这个问题没有一个有效的算法，只能一个一个质数去尝试，这就导致了就算是计算机来算也非常缓慢。
　　而且每增加一位数，所花费的时间就增加3倍，那么只要这个大数足够长，按照目前人类的算力，是无法破解的。
　　因此，我们就可以把两个质因数的乘积当作公开密钥，公布出去，把两个质因数当作专用密钥。这样就形成了一个安全性非常高的，目前看来无法破解的密码系统，这也是我们现在常有的加密术，称为RSA算法。
　　但是这样的加密算法依然有漏洞，上面说了，不能破解是因为计算机的算力不足，如果算力大大提高以后，不就威胁到现在全球的信息安全了吗？
　　没错，当量子计算机诞生以后，算这个轻而易举，因为量子计算机能够达到指数级的并行运行，也就是可以同时处理更多的运算，比如利用传统计算机分解一个250位的数，可能需要几百万年，但是量子计算机也许几分钟就完事了。
　　那为什么量子计算机的效率会这么高？
　　因为量子计算机的储存和逻辑门与传统计算机完全不同，在传统的计算机中，一个信息的最小单位就是一个比特，用0或者1来表示，比如让开关闭合，电子通过就代表1，开关断开，就是0。
　　现在计算机读取信息，获得了一组数字1010，这就是4个比特的信息，我们知道8个比特代表一个字节，1024字节代表1k，1024K为1兆，等等。
　　而在量子计算机中，传统的信息单元就变成了量子比特，那么什么可以作为一个量子比特？凡是具有两个量子态的系统都可以。
　　比如一个电子它具有的自旋属性可以处在向上和向下的叠加态当中，它就可以代表一个量子比特，如果我们现在约定自旋向上就代表1，自旋向下代表0，也就是说，一个电子比特可以传送两个信息。
　　而在经典计算机中，一个量子比特只能是1或者是0，也只能传递以一个信息。除了电子以外，圆偏振光子也会处在左旋和右旋的叠加态当中，所以它可以作为一个量子比特。
　　由于一个量子比特可以同时代表两种信息，所以在量子计算机中可以同时处理2n个不同的运算。
　　假如我们现在有500个量子比特，那么它就可以同时进行2500个运算，这是一个非常庞大的数字，因此利用量子计算机，再加上特定的算法，破解现在的RSA加密术轻而易举。
　　不过，大家不要太过担心，感觉量子计算机威胁到了现在的信息安全，
　　目前量子计算机还只是一些躺在实验室里的原型机，它跟我们的通用计算机还相差很远，现在的量子计算机，只是在处理某些特定的问题上展现出了它的优势，也就是我们常听说的实现了量子优越性。
　　而且，就算有了量子计算机，我们的信息依旧安全，毕竟道高一尺魔高一丈，我们的量子加密系统已经走在了量子计算机的前面。
　　在量子密钥中，我们利用量子态对信息进行加密，比如单光子的偏振方向，比如垂直方向上的偏振代表信息0，水平方向上偏振代表信息1，如果在传输的过程中有人截取了这些光子，那么它在没有获得正确测量这些光子偏振方向的时候，只要对光子进行测量，就会改变光子的量子态。它不仅不能获得正确的信息，而且还会让发送者和接收者知道，光子的量子态被改变了，知道信息已经被窃取，放弃本次的通讯。
　　所以说，量子加密系统是利用物理基本规则的一种加密手段，也就是量子态的一触即变，跟计算机的算力大小没有任何关系，所以量子密码具有无条件的安全性，无法被破解。
　　我国的墨子号，就是现实了这种量子密钥，天到地之间的分发，分发的过程是以单光子技术来完成的，所以分发的速度也就是光速。
　　最后，我们说下量子隐形传态，这才是真正的量子通讯，不过只是在经典通讯的过程中，加入了一个量子通道，总体上来说，传输的速度还限制在光速。
　　虽然速度没有提高，但是这种通讯方式做到了可以以光速传递一个实物。这里需要注意的是，并不是把一个真实的物体，从空间A，以光速传递到了空间B，而是传递的是它的量子态，就好像是把这个东西，瞬间的传送到了遥远的地方，所以叫量子隐形传态。
　　比如在A点有一个电子1，我们现在想将这个电子1传送到遥远的地点B，那么我们首先就要在A点和B点之间搭建一个量子通道，这个量子通道就是两个相互纠缠的电子E1和E2。
　　现在在A点将电子1和电子E1进行某种关联，使得E1的量子态和电子1的量子态完全相同，那么这时候，处在B点的电子E2的量子态也就发生变化，因为E1和E2是两个纠缠的量子对。
　　但是这是B点的人，并不知道A点的人对电子1和电子E1做了怎样的关联，所以这时就要通过经典的通道，比如打个电话，A点的人告诉B点的人，它做了怎样的关联。
　　B点的人获知消息后，然后对E2进行相应的变换，就会使得E2的电子和之前的电子1拥有完全一样的量子态。那么这就像是实现了把电子1传送到了B点，其实是只传送了它的量子态。
　　所以，这项通信技术叫量子隐形传态。
　　这跟科幻电影中的瞬间传送并不是一回事，科幻电影的传送是瞬间的，而量子隐形传态需要借助经典通道来进行，科幻电影传送的是实物粒子，而这里传送的只是量子态。
　　那么量子隐形传态以后能不能现实，传送一个实物，比如一个人，把它身体内所有粒子的量子态传到到遥远的地方，然后再遥远的地方把这些具有和人相同量子态的粒子，在组合起来变成一个活生生的人。估计是无法实现，毕竟一个人不仅仅是有微观粒子组成的，我们还有说不清道不明的意识存在。
　　好了，说到这里，整个量子史话就结束了。希望能让你有所收获，我就心满意足了。