图解通信原理与案例分析-31：量子通信，信息的传输载体由确定性的宏观世界走向不确定性的微观世界
前言：
所謂現代通信，就是用不同的物理信號承載二進制數據（信息），進行遠程傳輸，從而達到信息交流的目的。
主要的物理信號有聲波信號、光信號（一種特殊的電磁）、電磁信號，他們都是利用這些信號在傳播過程中的幅度、頻率、相位、能量等宏觀的、連續性的特性來承載信息的。
而量子通信是利用量子的疊加態、糾纏效應等這些微觀的、離散的特性，進行信息傳遞的全新的通信方式。
通信系統是一個大型系統工程 ，不僅僅包含信息的承載，還包括信息的傳輸、處理等，不僅僅包括無線接入網，還包括核心網。
本文僅僅探討的是如何通過量子的疊加態、糾纏效應等這些微觀的、離散的特性來進行信息的承載與傳遞，至于如何利用這些信息、處理這些信息，構成一個龐大的量子通信網，不在本文的范圍。
量子是一種微觀粒子，理解起來比較抽象與費勁，因此有必先從宏觀世界出發，了解現有通信方式的基本原理，然后再剖析什么是微觀世界量子以及它們的運動特性，最后再拆解什么量子通信，如何利用量子的運動特性進行量子通信！
目錄
第1章 什么是傳統的縱觀世界的“電”通信？
1.1 物質的組成
1.2 聲波信號（聲）
1.3 光信號（光）
1.4 電信號（電）
1.5 電磁波信號（磁）
1.6 光電效應
第2章 什么是量子（量子）
2.1 什么量子力學
2.2 基本粒子（這是理解量子的關鍵）
2.3?什么量子
2.4 量子的靜態屬性？
2.5 量子的動態屬性
第3章?量子主要的外顯特性
3.1 量子測不準性（不確定性原理）
3.2.量子不可克隆性（原理）
3.3 量子態疊加性 （原理）
3.4.量子態糾纏性
3.5 量子態相干性
3.6?量子退相干
第4章?.什么是量子通信？
4.1 量子通信概述
4.2 量子計算機
4.3?量子通信：量子隱形傳態
4.4?量子密鑰分發
后記：
第1章 什么是傳統的縱觀世界的“電”通信？
1.1 物質的組成
（1）組成關系
（2）分子
分子是由組成的原子按照一定的鍵合順序和空間排列而結合在一起的整體，這種鍵合順序和空間排列關系稱為分子結構。
由于分子內原子間的相互作用，分子的物理和化學性質不僅取決于組成原子的種類和數目，更取決于分子的結構。
（3）原子
原子是化學反應不可再分的最小微粒。
一個正原子包含有一個致密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負電的電子。
根據質子和中子數量的不同，原子的類型也不同：質子數決定了該原子屬于哪一種元素，而中子數則確定了該原子是此元素的哪一個同位素。
（4）電子
電子（electron）是帶負電的亞原子粒子。它可以是自由的(不屬于任何原子)，也可以被原子核束縛。
原子中的電子在各種各樣的半徑和描述能量級別的球形殼里存在。球形殼越大，包含在電子里的能量越高。
1.2 聲波信號（聲）
（1）什么是聲波信號
發聲體產生的振動在空氣或其他物質中的傳播叫做聲波。
聲波借助各種介質向四面八方傳播。聲波通常是縱波，也有橫波，聲波所到之處的質點沿著傳播方向在平衡位置附近振動，聲波的傳播實質上是能量在介質中的傳遞。
（2）什么是聲波通信
聲波通信（二維）：利用聲波的頻率與幅度傳遞信息的方式，就是聲波通信。
不同種族使用不同語言的交流，就是天然的聲波通信！
人的口腔產生聲波，人的耳朵接收聲波！
1.3 光信號（光）
（1）什么是光信號
- 在幾何光學中，光以直線傳播。筆直的光柱和太陽光線都說明了這一點。光的能量體現在光的強度上。
- 在波動光學中，光是一種高頻電磁波，以波的形式傳播。光就像水面上的水波一樣，不同頻率或波長的光呈現不同的顏色。
- 在量子光學中，光的能量是量子化的，構成光的量子（基本微粒），我們稱其為光量子，簡稱光子，因此能引起膠片感光乳劑等物質的化學變化。
- 光速：在真空中為299792458≈3×10?m/s，在空氣中的速度要慢些。在折射率更大的介質中，譬如在水中或玻璃中，傳播速度還要慢些。
（2）什么是光通信
光通信（Optical Communication）是以光波為載波的通信方式。
按光源特性，可分為激光通信和非激光通信；
按傳輸介質，可分為大氣激光通信和光纖通信；
按傳輸波段，可分為可見光通信、紅外光通信和紫外光通信。
光是一種電磁波，其波長通常在1×103～5×10-3微米范圍內。光的頻率高，光通信的頻帶寬，通信容量大，抗電磁干擾能力強。
雖然，光波的頻率高，帶寬帶，但周期過小，控制光波相位的難度太大。
光通信（二維特征）：利用的是不同頻率的光的強度（幅度）來承載信息的。
1.4 電信號（電）
（1）什么是電信號
當電子脫離原子核束縛在其它原子中自由移動時，其產生的凈流動現象稱為電流。
各種原子束縛電子能力不一樣，于是就由于失去電子而變成正離子，得到電子而變成負離子。
電信號是指隨著時間而變化的電壓或電流，因此在數學描述上可將它表示為時間的函數，并可畫出其波形。
由于非電的物理量可以通過各種傳感器較容易地轉換成電信號，而電信號又容易傳送和控制，所以使其成為應用最廣的信號
無論是電壓還是電流信號，它是一群電子的運動，在一段時間內表現出來的宏觀的、總體特性！
（2）什么是直流信號和交流信號？
恒流：大小和方向不變的電流。
直流：方向不變的電流。通常情況下，我們用直流代替恒流。
交流：電流方向隨時間作周期性變化的電流，在一個周期內的平均電流為零。不同于直流電，它的方向是會隨著時間發生改變的，而直流電沒有周期性變化。
（3）什么“電”通信
- 直流（一維特征）
只能利用電信號的強度/幅度承載信息，計算機直流信號來承載0和1信息的。
- 交流（三維特征）
利用電信號的幅度、頻率、相位承載信息的，這個通過電信號的特征承載信息的過程稱為調制，分為幅度調制、頻率調制與相位調制。從接收到的電信號的特征中提取出承載信息的過程稱為解調。
很顯然，交流電比直流電具備更多維度，一個交流波形比直流波形承載更多的信息！
（4）什么模擬信號和數字信號？
（5）什么是模擬通信與數字通信
模擬通信：利用模擬信號承載信息，由于計算機處理的是數字信號，因此模擬通信不適合計算機處理。
數字通信：利用數字信號承載信息。
1.5 電磁波信號（磁）
（1）電場
電場是電荷及變化磁場周圍空間里存在的一種特殊物質。
這種物質與通常的實物不同，它雖然不是由分子原子所組成的，但它卻是客觀存在的特殊物質，具有通常物質所具有的力和能量等客觀屬性。
（2）磁場
磁場，物理概念，是指傳遞實物間磁力作用的場。磁場是一種看不見、摸不著的特殊的場。
磁場不是由原子或分子組成的，但磁場是客觀存在的一種特殊物質。磁場具有波粒的輻射特性。
磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用在物理層面接觸就能發生作用。
變化的電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間都能產生的這種特殊形態的物質。
由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或電場的變化而產生的。
（3）電磁場
電磁場是有內在聯系、相互依存的電場和磁場的統一體的總稱。
隨時間變化的電場產生磁場，隨時間變化的磁場產生電場，兩者互為因果，形成電磁場。
電磁場可由變速運動的帶電粒子引起，也可由強弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。
電磁場是電磁作用的媒介，具有能量和動量，是物質的一種特殊存在形式。
（4）電磁波
電磁波是電磁場的一種運動形態，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。
變化的電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間都能產生電磁波。
（5）電磁波通信
發送：
就是利用變化的電流，產生變化的磁場，變化的磁場由生產變化的電流，這樣交替在空間傳播，實現遠程傳播信息。把信息承載在變化的電流中的過程稱為調制。
接收：
利用變化的磁場，生產變化的電場，變化的電場，可以轉化為變化的電流，從而接收到發送端發送的變化的電流，把信息從承載的變化的電流中解析出來，稱為解調。
電流信號的特性（四維）：幅度、頻率、相位、能量
調制解調方式（四維度）
- 幅度調制：利用交變的電信號的不同幅度承載和區分信息，稱為幅度調制。AM調制就是這種調制方式。
- 頻率調制：利用交變的電信號的不同頻率承載和區分信息，稱為頻率調制。FM調制就是這種調制方式。
- 相位調制：利用交變的電信號的不同相位承載和區分信息，稱為相位調制。PM調制就是這種調制方式。
- 幅度相位調制：同時利用通過交變的電信號的不同幅度和不同相位承載和區分信息，稱為幅度相位調制， QAM調制就是這種調制。
- 能量調制：利用交變的電信號的不同能量承載和區分信息，稱為能量調制。能量調制是對幅度調制的改進。擴頻通信、QAM調制，都是利用積分的手段，提取接收信號的能量，最后折算成幅度。
1.6 光電效應
（1）光產生電
光電效應是在高于某特定頻率的電磁波（該頻率稱為極限頻率threshold frequency）照射下，某些物質內部的電子吸收能量后逸出而形成電流, 即為光電效應。
光電效應是物理學中一個重要而神奇的現象。神奇之處在于，電子的產生，與光的強度無光，而至于光的頻率有關。
“光子”是能量的最小單位，光的強度越大，表明光子的數量越多。
“光子”也是被電子吸收的最小單位，只有單個光子的能量（即頻率足夠高）足夠大，才能引起單個電子的能量躍遷，電子能量的躍遷，脫離原子核的束縛，才能形成電流。
如果當個光子的頻率不夠高，即使數量再多，也不會引起單個電子的能量躍遷。
當個“光子”的頻率區域于“光子”自旋的頻率，決定了光波的頻率。
（2）電產生光
在經典力學的框架之下，?電子運動于原子核外某一特定的軌域。距離原子核越遠的軌域能量越高。電子躍遷到距離原子核更近的軌域時，會以光子的形式釋放出能量。相反的，從低能級軌域到高能級軌域則會吸收能量。
經典力學的框架，并不能夠解釋譜線的相對強度，也無法計算出更復雜原子的光譜。這些難題，尚待后來量子力學的解釋。
更加量子力學的理論框架，能量越大，導致單個光子的量能越高，單個光子的能量越高，則其光波的頻率越高，廣播的頻率越高，其自旋的角動量越大。
總之，上述的各種通信方式，都是利用一群“電子”的運動所展現出來的宏觀特性來承載信息（調制）和傳輸信息（傳輸）。
如下圖所示。如果把單條“魚”比喻成“量子”，
傳統的通信是使用一群魚的所展現的整體形態來承載和傳輸信息，
而量子通信就使用“單條魚”的形態來承載和傳輸信息。
第2章 什么是量子（量子）
2.1 什么量子力學
量子力學（Quantum Mechanics），為物理學理論，是研究物質世界的微觀粒子的運動規律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論。
量子力學與相對論一起構成現代物理學的理論基礎。它不僅是現代物理學的基礎理論之一，而且在化學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。
2.2 基本粒子（這是理解量子的關鍵）
（1）基本粒子與原子的關系
基本粒子，物理學術語，指人們認知的構成物質的最小或/及最基本的單位，是組成各種各樣物體的基礎。
在當前物理學中，質子和中子已經不是基本粒子了，原子還可以進一步被細分為夸克。
（2）基本粒子的3大分類
- 構成物質組成的基本粒子：稱為費米子
- 傳遞能量和作用的粒子：稱為玻色子
- 傳遞引力作用的粒子：稱為引力子
（3）基本粒子的種類
這個大千世界千變萬化，但組成這個世界的基本粒子的種類卻不多，目前發現的基本粒子大概有60多種。
常見的與通信相關的基本粒子有：電子與光子。
電子：是構成物質組成的基本材料之一，通過電子的運動產生了電流，變化的電流產生變化的電場，變化的電場產生變化的磁場，變化的磁場產生變化的電場，電磁波就這樣在空間傳播了。
光子（光量子）：是攜帶能量的最小單位，它本身不是物質的組成部分，它一定頻率的光的基本能量單位。
備注：
光子并不表明光就只是粒子，而是表明攜帶能量的最小單位，這個最小單位的能量，可以是波的形態承載，也可以是粒子的形態承載。
2.3?什么量子
量子（quantum）是現代物理的重要概念。即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。
電子是“電”量子，光子是“光”量子，其他的不可再分的基本粒子都是量子。所有的粒子統稱為“量子”。
然后，量子的概念遠遠超過基本粒子 。
它也可以用于其他場合。比如，最小的運動狀態也是量子，最小的能量狀態也是量子。
2.4 量子的靜態屬性？
雖然，目前已經發現了60多種基本粒子，但這些粒子在微觀世界具備一些共同的特性，我們稱為量子的主要特性。
（1）大小
基本粒子要比原子、分子小得多，現有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。質子、中子的大小，只有原子的十萬分之一。而輕子和夸克的尺寸更小，還不到質子、中子的萬分之一。
（2）質量
現有的粒子質量范圍很大。
光子、膠子是無質量的，即質量為0，這次是因為他們是傳播能量的載體，并不是物質的構成。
電子質量很小；π介子質量為電子質量的280倍；質子、中子都很重，接近電子質量的2000倍
（3）壽命
電子、質子、中微子是穩定的，稱為 "長壽命"粒子。
其他絕大多數的粒子是不穩定的，即可以衰變。一個自由的中子會衰變成一個質子、一個電子和一個中微子； 一個π介子衰變成一個μ子和一個中微子。
（4）對稱性
粒子與粒子之間具有對稱性。有一種粒子，必存在一種反粒子，
1932年科學家發現了一個與電子質量相同但帶一個正電荷的粒子，稱為正電子；
后來又發現了一個帶負電、質量與質子完全相同的粒子，稱為反質子；
隨后各種反夸克和反輕子也相繼被發現。
一對正、反粒子相碰可以湮滅，變成攜帶能量、不含質量的光子，即粒子質量轉變為能量；
反之，兩個高能粒子碰撞時有可能產生一對新的正、反粒子，即能量也可以轉變成具有質量的粒子
（5）不可再分性（大小）
這很好理解，就是某種情形下的最小單位，無法在進一步切分了。
（6）離散性
這與不可切分性是一致的，只要有最小單位，而不是無限的切分下去，那么就是離散的。
物質的組成具有最小單位，這與經典物理學是一致的。
能量的構成與傳播也具有最小的單位，并且還與，這就與經典物理學是不一致的，經典物理學認為，能量是連續的。
普朗克發現對于一定頻率f的輻射，物體只能以h*f為能量單位吸收或發射它，h稱之為普朗克常數。換言之，物體吸收或發射電磁輻射，只能以離散的、量子的方式進行，每個量子的能量為E=hf。
這就是大名鼎鼎的“黑體輻射現象”。
當然，由于電磁波的頻率譜是連續的，因此宏觀上感覺是能量是連續的。
2.5 量子的動態屬性
（1）運動
?
粒子并非靜止不動的，粒子是運動的。粒子繞著某種軌道運行，比如電子繞著原子核在運動。
運動就會產生運動速度和空間位置！
（2）自轉
經典物理學概念中的自轉，是宏觀物體對于其質心的旋轉，比如地球每日的自轉是順著一個通過地心的極軸所作的轉動。
地球自轉并不是內在性質。如果地球不轉了,它還是地球。
是指物體自行旋轉的運動，物體會沿著一條穿越物體本身的軸進行旋轉，這條軸被稱為“自轉軸”。
一般而言，自轉軸都會穿越天體的質心。凡衛星、行星、恒星、星系都繞著自己的軸心轉動﹐地球自轉是地球沿著一根通過地心的軸（自轉軸，也叫地軸）做的圓周運動。謂之自轉。
（3）自旋Spin（這是一個非常非常非常重要的特性）
自旋Spin是量子力學中的概念，它是描述基本粒子在向前運動的過程中或繞著原子核運動的過程中，自身還在空間中自旋，這是新發現的特性，自轉就產生了角動量。
當然，量子的自旋與宏觀天體的自轉有著本質的不同，自旋是粒子的內在屬性，就像頻率、相位、幅度是正弦波的屬性類似，不存在不自旋的粒子。
如果基本粒子改變了自旋形態，它就不是原先的粒子了，而是一個新的粒子！！！
?
不同粒子，其自旋、的形態（方位、速度）的種類是確定的。
粒子自旋是粒子的及其重要內在屬性，這種屬性可以用來作為粒子的標識和分類的依據。
每個粒子都有自身特有的自旋形態，且是固定的、可以觀察的，并非按照任意方向任意選擇，自旋數不同就是不同類別的粒子，性質也不同。
“宇宙的每一個電子，總是永遠地以固定不變的速率旋轉。電子自旋不是我們習慣的那類物體偶然發生的短暫的旋轉運動，而是一種內稟的性質，跟它的質量和電荷一樣。如果電子沒有自旋，它也就不是電子了。” 這句話描述了自旋的形態對于區分粒子的重要性。
這個概念是量子力學后續概念的根基，因此有必要弄清楚在花一點篇幅進一步闡述這個概念。
--自旋的空間性
自旋并非繞著一個自身的固定的軸在轉，而是會占據一定的空間，是在粒子在空間中運動特征的一種描述，而這種運動不受外力的影響，完全是自身的一種動態屬性。
也就是說，不存在靜止的基本粒子，包括電子和光子。每個粒子都有其特殊的自旋形態，這種自旋有點像，粒子不需要外力干預的情況下，自己能夠在空間繞8字轉。
不用基本粒子，在空間中自旋的形狀不同，有些是8字，有些是其他狀態。
--自旋的周期性
自旋并非是非周期性的，自旋實際上是周期性的，自旋的周期表示，轉多長時間后，回到原先的狀態。
--自旋狀態的方向性？
常見的自旋方向有：上、下自旋； 左、右自旋；前、后自旋；
--自旋方向的切換與疊加？
一個粒子，
在某一個時刻，只能是上自旋或下自旋；?左自旋或右自旋；前自旋或后自旋；
在其自旋周期內，可能會同時會上自旋和下自旋；?左自旋和右自旋；前自旋和后自旋；
但這個切換周期非常非常短， 短到感覺這是同一時刻，既上自旋也下自旋，既左自旋也右自旋，既前自旋也右自旋。
這就是量子的疊加態的概念！！！
以電子為例：
如果用1表示左自旋，0表示右自旋，在某一時刻，這電子既處于0狀態，也處于1狀態，這就是1和0的疊加態。
--自旋狀態的人為干預？
通過磁場可以干預粒子的自旋狀態，比如偏振光片，只能允許特定的自旋方向的粒子通過。
與其說用偏振光片測量粒子的自旋方向，還不如說偏振光片干預了粒子的自旋狀態的。
（3）守恒
物質是不斷運動和變化的，在變化中也有些東西不變，即守恒。質量守恒、能量守恒、動量守恒、角動量守恒等等。
第3章?量子主要的外顯特性
3.1 量子測不準性（不確定性原理）
觀察者不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度。
如果測量得到了粒子的位置，那么此時無法測得粒子的速度。
如果測量得到了粒子的速度，那么此時無法測得粒子的位置。
這是因為，使用顯微鏡來測量電子的位置，需要通過測量光子，而光子本身會不可避免地攪擾了電子的動量，造成電子動量的不確定性
好比，在一個漆黑的房間里，有一個運動的球，你需要通過腳去感知球存在與位置。當你的腳觸碰到球的一瞬間，雖然你確定了球的位置，但實際你的腳的運動已經改變了球的運動，改變了球體的速度。
而用顯微鏡觀察眼睛觀察電子運動時，與此類似，只是用“光子”替代了人的腳，去探測電子的位置。
這種不確定性，主要是因為如下的兩個因素：
（1）一個原因是：由于被觀察的對象（基本粒子）太小太小，小到一個可見光的“光粒子”對它的碰撞都會改變其速度和位置。
（2）另一個原因是：人類觀察某個未知的基本粒子，必須借助于其他已知的粒子，不可能不借助與任何粒子的部分狀態，觀察另一個粒子的所有狀態。
不存在一種觀察手段，不影響粒子的任何狀態，而獲得它的所有狀態，到目前為止，人類還沒有這樣的手段。
人眼看到的外部世界，也不過是經過“光”照到物體上，經過物體對光的反射，獲得了物體的視覺效果：形狀、位置等。如果沒有光，在一個漆黑的房間里，即使有大量的物體存在，人類也感知不到。
3.2.量子不可克隆性（原理）
一個未知的量子態不能被完全地克隆。
所謂克隆，顧名思義就是把某種事物通過一定的方式再現出來，且保留原先事物不變。
所謂量子克隆，實際上是指克隆粒子的狀態，即就是先觀察粒子，獲得粒子的狀態，然后復制原先粒子的狀態，并保留原先粒子的狀態。
根據《量子測不準原理》，觀察粒子的過程，就會干擾粒子原先的狀態，不可能出現一種測量方法，不改變粒子原先的所有狀態，而獲得該粒子的所有狀態。
測量電子的某種狀態時，獲得了粒子的某種狀態，然而測量后，粒子原先的狀態就會因為觀察、測量行為本身而改變，不可能保留原先的狀態。
因此，我們無法克隆的狀態，這就是量子不可克隆原理。
也就是說，我們可以通過觀察、測量獲得粒子的某種狀態，但不能在觀察、測量后，還保持粒子原先的狀態。
當然，這里的前提條件是：克隆的對象是單個粒子的微觀狀態，而不是一群粒子呈現的宏站狀態。
3.3 量子態疊加性 （原理）
量子態疊加性就是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上
一個粒子，
在某一個時刻，只能是上自旋或下自旋；?左自旋或右自旋；前自旋或后自旋；
在其自旋周期內，可能會同時會上自旋和下自旋；?左自旋和右自旋；前自旋和后自旋；
但這個切換周期非常非常短， 短到感覺這是同一時刻，既上自旋也下自旋，既左自旋也右自旋，既前自旋也右自旋。
這就是量子的疊加態的概念！！！
以電子為例：
如果用1表示左自旋，0表示右自旋，在某一時刻，這電子既處于0狀態，也處于1狀態，這就是1和0的疊加態。
3.4.量子態糾纏性
兩個及以上的量子在特定的(溫度、磁場)環境下可以處于較穩定的量子糾纏狀態。
當兩個微觀粒子處于糾纏態，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應改變。愛因斯坦稱之為為“鬼魅般的超距作用”。
比如，通過磁場，干預其中一個粒子，使得其為“上”自旋，那么與之量子糾纏狀態的另一個粒子，無論距離多遠，其狀態就變成“下”自旋。
3.5 量子態相干性
量子相干性，或者說“態之間的關聯性”。
其中一種說法就是愛因斯坦和其合作者在1935年根據假想實驗作出的一個預言。
這個假想實驗是這樣的：在高能加速器中，由能量生成的一個電子和一個正電子朝著相反的方向飛行，在沒有人觀測時，兩者都處于向右和向左自旋的疊加態，而進行觀測時，如果觀測到電子處于向右自旋的狀態，那么正電子就一定處于向左自旋的狀態。
這是因為，正電子和電子本是通過能量無中生有而來，必須遵守守恒定律。這也就是說，“電子向右自旋”和“正電子向左自旋”的狀態是相關聯的，稱作“量子相干性”。這種相干性只有用量子理論才能說明。
在一個封閉的、不受干擾的系統中，具有相干性的粒子之間會一直處于這種相干性狀態。
3.6?量子退相干
開放量子系統的量子相干性會因為與外在環境發生量子糾纏而隨著時間逐漸喪失，這效應稱為量子退相干（英語：Quantum decoherence），又稱為量子去相干。
量子退相干是量子系統與環境因量子糾纏而產生的后果。由于量子相干性而產生的干涉現象會因為量子退相干而變得消失無蹤。
第4章?什么是量子通信？
4.1 量子通信概述
量子通信是指利用量子特性進行信息傳遞的新型通信方式。包括：
（1）利用量子疊加原理的量子計算。
（2）利用量子糾纏的原理實現量子超距傳輸，即量子通信。
（3）基于量子的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理，提供了無法被竊聽和計算破解的絕對安全性保證，主要分為量子隱形傳態和量子密鑰分發兩種。
4.2 量子計算機
量子力學與電子計算機相遇，于是就誕生了量子計算機。
（1）傳統的計算機中的0和1
傳統的電子計算機，在處理信息上都是采用2進制，也就是1、0，計算機的最小單位是比特，因為計算機是二進制，所以這一比特要么就是1，要么就是0，不存在其他的選項。
例如信息：1010，其中就包含了4個比特，8個比特組成1B，1024B等于1K，1024K等于1M，1024M等于1G以此類推。
比如32比特的二進制數，就有2^32個不同的數值，如果計算機需要處理2^32個不同的數值，必須窮舉每個數值，一共需要窮舉2^32個數的數。
（2）量子計算機中的比特0和1
因為計算機中信息流存在最小的單位—比特，那么計算機處理信息就是可以量子化的，這個最小單位比特就是計算機處理信息的量子，我們將比特成為量子比特。
在量子力學中，任何微觀粒子、量子在沒有被觀測之前都處于多種狀態的疊加，也就是說微觀粒子、量子在沒有被觀測之前都是無法確定的。
那么在計算機的信息處理中，比特作為量子的存在，在沒有被觀測之前也是不能被確定的，也就是說比特沒有被觀測之前可能是1、可能是0、也可能是既是1、又是0。
傳統的計算機中，每一個比特位，0和1狀態是不能共存的，而在量子計算中，根據量子疊加原理0和1是可以共存的，既可以是1，也可以是0。
（3）量子計算機的并行計算
針對32比特的數據，如果需要窮舉每個數據，只需要取一次數據即可，因為32bit每個的每一位已經同時代表了0和1，而傳統計算機需要取2^32個數據。
這就是量子計算機的巨大的優勢！
（4）量子霸權
量子霸權，代表量子計算裝置在特定測試案例上表現出超越所有經典計算機的計算能力。
2019年9月20日，多家英媒披露，科技巨頭谷歌(Google)一份內部研究報告顯示，其研發的量子計算機成功在3分20秒時間內，完成傳統計算機需1萬年時間處理的問題，并聲稱是全球首次實現“量子霸權”。
（5）量子計算的適用場合
量子計算并非適合傳統計算機領域的所有場合，從目前來看，只使用傳統計算機的極小的應用領域，只有在極少的領域，其性能遠遠超越現代的傳統計算機。
量子計算只適應于需要無窮次窮舉N的數值計算的場合，可把窮舉的效率直接提升到N倍。
當量子計算機并不適合邏輯處理的場合，即不需要窮舉的場合，有明確的邏輯分支的場合。
（6）量子計算機編程語言
QRunes、Q#、SILQ
4.3?量子通信：量子隱形傳態
（1）量子通信的信息傳輸的載體
- 傳統的“電”、“光”通信：載體是電磁波，它利用的是一群電子的外顯的、宏觀的、行為特征，如電磁波的頻率、幅度、相位。
- 量子通信：載體是單個粒子，如單個電子或單個光子，它利用是單個粒子內在的、微觀的、行為特征，如粒子的自旋方向。
（2）二進制比特信息的調制
所謂調制，用傳輸載體的特征來標識要傳輸的二進制比特。
電磁波通信的調制方法有：
- 幅度調制：利用交變的電信號的不同幅度承載和區分信息，稱為幅度調制。AM調制就是這種調制方式。
- 頻率調制：利用交變的電信號的不同頻率承載和區分信息，稱為頻率調制。FM調制就是這種調制方式。
- 相位調制：利用交變的電信號的不同相位承載和區分信息，稱為相位調制。PM調制就是這種調制方式。
- 幅度相位調制：同時利用通過交變的電信號的不同幅度和不同相位承載和區分信息，稱為幅度相位調制， QAM調制就是這種調制。
- 能量調制：利用交變的電信號的不同能量承載和區分信息，稱為能量調制。能量調制是對幅度調制的改進。擴頻通信、QAM調制，都是利用積分的手段，提取接收信號的能量，最后折算成幅度。
量子通信的調制方法：
使用粒子的自旋方向來承載0和1，如左旋標識1，表示0。
調制方：通過一定的儀器，來控制有糾纏關系的兩個粒子中的一個粒子的自旋方向。
解調方：通通過一定的儀器，來檢查有糾纏關系的兩個粒子中的另一個粒子的自旋方向，從而獲得0和1的數據。
（3）調制后信號的瞬間、超距傳輸
現行流行的量子糾纏說法是指在量子力學中，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著某種糾纏關系，不管它們被分開多遠，只要一個粒子發生變化就能立即影響到另外一個粒子，即兩個處于糾纏態的粒子無論相距多遠，都能“感知”和“影響”對方的狀態。
量子通信的傳輸是不受時間的影響，是瞬間完成。
量子通信的傳輸也不受距離的影響，不管多遠，不管中間隔著什么物理，都能夠進行感應 。
這種超越光速的信息傳輸的現象被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。
筆者認為：
- 會不會糾纏的粒子之間通過“鬼魅般的超距作用”來交換信息或許是通過目前還沒有發現的高緯空間進行的？
- 母子之前，孿生子身體的細胞之間，是不是也會有大量的相互糾纏的粒子？導致所謂的心靈感應？
（4）二進制比特信息的解調
使用粒子的自旋方向來承載0和1，如左旋標識1，表示0。
調制方：通過一定的儀器，來控制有糾纏關系的兩個粒子中的一個粒子的自旋方向，一旦改變了其中一個粒子的狀態，另一個粒子的狀態也隨之改變，這就是量子糾纏。
解調方：通通過一定的儀器，來檢測有糾纏關系的兩個粒子中的另一個粒子的自旋方向，從而獲得0和1的數據。
量子隱形傳態是一種超距信息傳輸方法 ，是一種絕對安全的信息傳輸方法，中途決不可能被竊聽。
這是因為糾纏的兩個量子之間的信息傳遞是瞬間、瞬時完成的，可以跨越任何的空間，或者說，根本就?經過任何的三維空間進行傳輸，有如何被竊聽呢？
4.4?量子密鑰分發
先回顧一下現有的傳統的加密方法
（1）對稱加密
對稱加密，就是發送方加密和接收方解密使用相同的、事先約好的秘鑰。
優點：
- 加密和解密的速度快。
缺點：
- 中途密文被截獲后，雙方其實并不知道
- 一旦密碼破解后，通信雙方也并不知道
- 發送方更改密碼后，接收方無法及時的知道對方更改的密碼，因為密碼是事先約好的，更改后，必須提前通知對方，如何把密碼通知對方是一個大麻煩。（量子密鑰分發實際上就是要解決此問題的）
（2）不對稱加密
為解決對稱加密方法傳遞秘鑰、更改秘鑰及其不方便問題。提出了一種不對稱加密。
- 接收發公開自己的公鑰，公鑰和私鑰是成對出現的，用公鑰加密的數據，必須通過私鑰才能解開。
- 發送方利用公鑰對數據進行加密。
- 接收方使用私鑰對數據進行解碼。
優點：
- 不對稱加密很好的解決了秘鑰安全傳輸的問題
- 不對稱加密也很好的解決了接收方隨時更改秘鑰的問題，更改完，公布自己的公鑰就可以了，發送加密方使用新的公鑰對數據進行加密。
缺點：
- 加解密的效率非常低，遠不如對稱加密，因此通常需要硬件加解密引擎，提高加解密的效率。
（3）對稱加密+不對稱加密配合
- 使用不對稱加密傳遞更改后的對稱加解密的秘鑰。
- 對稱加密用于對數據進行加解密。
優點：
- 使用對稱加解密對數據進行加解密，提升了加解密的效率。
- 不對稱加密用于傳遞更改后的對稱加解密的秘鑰，解決了對稱加密秘鑰更改后不能及時安全傳遞給加密方的問題。
缺點：
- 沒有明顯的缺點。
- 唯一的缺點就是：上述步驟1過程，接收和發送方都不知道傳輸信道被別人竊取，因此如果對稱加密的秘鑰被竊取后，收發雙發都無法知曉。有沒有一種方法，傳遞對稱加密的秘鑰的時候，如果中途被竊取，雙發雙發都能夠感受到，然后立即更換新的秘鑰？
（4）量子密鑰分發，也稱量子密碼
量子量子密鑰分發就是解決使用一種絕對安全的方法傳遞或分發對稱加密的秘鑰。
它借助量子疊加態的傳輸測量實現通信雙方安全的量子密鑰共享，再通過一次一密的對稱加密體制，即通信雙方均使用與明文等長的密碼進行逐比特加解密操作，實現無條件絕對安全的保密通信。
以量子密鑰分發為基礎的量子保密通信成為未來保障網絡信息安全的一種非常有潛力的技術手段，是量子通信領域理論和應用研究的熱點。
（a）在發送方和接收方建立兩個信道，一個經典信道，采用對稱加密數據，一個是量子信道，傳遞對稱加密的秘鑰。
·（b）為了安全性，每次傳輸都通過量子信道更改新的對稱加密的秘鑰。
（c）發送方使用單光子傳輸對稱加密的秘鑰，當中途有竊聽竊取了量子信道的光子，根據量子的不可復制性原理，光子的狀態一定會因為中途的監聽，其狀態就會發生變化。
（d）接收方受到受竊聽方竊聽過、其狀態已經不同于發送方原始數據。
（e）接收方再通過傳統信道把自己的收到的信息反饋給發送方。
（f）這樣接收方就知道量子信道被人監聽，如果有人監聽，則丟棄該秘鑰，重新發送一組新的秘鑰，依次類推。
優點：
秘鑰的分發是絕對安全的，如果中途被任何竊聽者竊聽，都會被檢測到。
后記：
（1）量子通信還遠沒有得到適用的階段，還處于前沿的研究階段
（2）量子計算只是在部分需要窮舉計算的領域極大的遠遠超越現代計算機，但它無法替代現有的計算機，很多的邏輯運算的領域不是量子計算機的強項。
（3）量子通信也只是解決了在兩個節點之間安全的二進制信息的傳遞，然而，現代通信系統遠比這個復雜得多。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的图解通信原理与案例分析-31：量子通信，信息的传输载体由确定性的宏观世界走向不确定性的微观世界的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
