量子纠缠据说不能传递信息,那又为什么可以传递密码信息呢?

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首先声明一点,单纯的量子纠缠是无法传递信息的。

我们所提到的量子通信,并不是量子在传递信息,它们在这个过程中,只起到一个辅助作用。

由一枚硬币开启的超距传输

喂,年轻人!我看你骨骼精奇,是万中无一的创业奇才。

我这里有一对魔法硬币,与你有缘,就十块钱卖给你吧!

别看它长得和普通的一元硬币差不多,这种硬币有一项:



你想啊,这种硬币如果做成情侣版,肯定大卖!尤其是异地恋:



你和你伴侣人手一枚,你在北京不断抛硬币 A,发出「正正反反」之类的信号,她在西雅图的硬币 B 就会自动变成「反反正正」,编码成「0011……」,再转成 ASCII 码就是:

I LOVE U

理工男的浪漫,你懂不懂!



再想想,如果能好好包装一把,还能卖给国家航天局、NASA 之类的土豪机构!

从月球到地球 38 万公里,电磁波信号需要走 2 秒多。

月球的宇航员别说游戏玩不了,打个电话都卡死机。

火星就更远啦,1 亿公里,得延迟 5 分钟!



但是用无延迟的魔法硬币做星际通信,网游不卡了,电话不等了,干啥都流畅!

要问魔法硬币有没有缺点?

你还别说,是有个小问题,不过不影响使用啦——就是每次抛硬币时,翻到正面还是反面,要看人品(喂,喂!年轻人,别走啊…… )

好啦!以上故事是玩笑,但魔法硬币可不是玩笑。

用量子纠缠态的一对孪生粒子,自旋向上=硬币正面,自旋向下=硬币反面,就能做出如假包换的「魔法硬币」。

无论相隔多远的距离,处于「纠缠态」两个孪生粒子就像有心灵感应般,零延迟、发生同步反应。

如果把孪生粒子放在两地,在地球观测粒子 A 发现自旋向上,火星上的粒子 B 会因此而瞬间变成自旋向下,仿佛两个粒子之间始终有一道穿越时空的纽带——这就是传说中的「超距作用」。


因为 A 的粒子自旋态始终和 B 的相反,所以地球人只需观测一下粒子 A,就能实时改变粒子 B 被火星人观测到的自旋态。

当火星人读取出 B 的自旋态时,相当于接收到了地球发来的一个比特。

如果把孪生粒子比作一对魔法硬币,通信双方重复以上步骤、通过「抛量子硬币」传送信号的方式,就叫作量子通信。

问题在于,就算拥有把爱因斯坦吓傻的超能力「超距作用」,量子通信却没法用来瞬时传数据!

因为,每次硬币(自旋)是正是反,是个完全随机事件,不要说控制,连影响都做不到。

你想发「正正反反」,它给你来个「反正反正」——试想如果不能畅所欲言,对方接收到的都是乱码,还谈何通信呢?

既然发的是一团乱码,那么就算能够穿越宇宙瞬时传送,也称不上是真正的通信。

爱因斯坦当年杞人忧天的「超光速通信」问题,就这样被「随机性乱码」天衣无缝地解决了。

要想用量子传点有意义的东西,解决的办法只有一个:

用量子通信发完「反正反正」之后,赶紧再用微信给对方补个留言「错对对错」,告诉他哪些信号是发错的,让他自己纠正。

也就是说,对方收到量子信息虽然是瞬时的,但要从一团乱码中找出真正的意义,还得靠传统通信方式,微信、电话延迟多久,量子通信就延迟多久。

你是不是在想:既然如此,不如我直接发个微信得了,还要用量子通信干吗?

所以,只有聪明人才能看出,量子通信真正的威力。

无条件安全,可能吗?



每次我和朋友聊起「无条件安全」的量子通信,几乎所有人都认为我在吹牛。

大多数人直觉上认为,凡事无绝对。

你说破解难度很高,OK;说 99.99% 安全,或许吧;但打死我也不信,世界上存在无懈可击的东西。

但是他们忘了,绝对安全的加密通信,其实早在 75 年前就被发现了。

1941 年,信息论的祖师爷香农,在数学上严格证明了:不知道密码就绝对无法破解的安全系统,是存在的。



而且,更令人惊讶的是,这种绝对安全的密码出人意料的简单——只需符合以下 3 个条件:

  • 一次一密:每传一条信息都用不同的密钥加密,断了敌人截获一本密码本后,一劳永逸的妄想;
  • 随机密钥:生成的密钥是完全随机的,不可预测,不可重现,破解者更不可能猜出规律,自己生成所有密钥;
  • 明密等长:密钥长度至少要和明文(传输的内容)一样长,破解者穷举所有密钥,相当于穷举所有可能的明文。

谁要是有本事通过穷举猜出明文,还来劳什子破解密钥干吗?

奇怪的是,香农发明「无条件安全」的 75 年后,我们居然还没能用上这个黑科技。

因为在当时的技术条件下,要同时符合这 3 个要求根本不可能!

先说「随机密钥」:请计算机程序 rand() 生成的随机数其实 并不是真正的随机, 理论上,如果知道已经产生的随机数,就有可能获得接下来的随机数序列(可预测)。

再看「明密等长」:如果我能轻松吧这么长的密钥安全地发送给对方,为什么不干脆发送明文呢?这样岂不是多此一举?

最后「一次一密」:每发一次信息就要更新密钥,但通信双方又不能天天见面接头,否则还要加密通信干什么?

然而,在不计成本的最高级别通信场合下,「一次一密」还真的用上了。

比如先编写一部超级长的密码本,派特工直接交到对方手里,然后双方就可以暂时安全通信了。

仅仅是暂时。

密码本用完之后,特工又得出动再送一本新的……(007:你以为我是快递小哥吗?)



就这样,我们研究了 75 年的密码学,什么对称加密、非对称加密(RSA)和黑客们展开了无数次「道高一尺魔高一丈」的攻防大战……

直到我们遇见了香农 75 年前预言的密码学终极形态:无条件安全的量子通信。

75 年前没有人能想到,那些「看上去几乎不可能实现」的三大要求,简直就是为量子通信量身定做的。

就拿最简单的量子通信协议——孪生粒子的量子纠缠来举个例子:

1. 随机密钥:服务器生成一对孪生粒子 A 和 B,分别发送给通信双方。

注意,A、B 被观测后的自旋状态是完全随机的,不要说敌人,就连自己人都看不出规律来!。

2. 明密等长:要发送的「正正反反」是明文编码,量子通信随机产生的「反正反正」相当于密钥,微信发送的纠错码「错对对错」是加密后的传送内容。

此时,正文、密钥、纠错码,三者的长度完全相同。

3. 一次一密:为了发送 4 个比特的明文编码「正正反反」,服务器总共生成了 4 次随机密钥,每次传输 1 比特明文,都有 1 比特密钥保驾护航。

此时,破解的可能性,不是万分之一,也不是亿万分之一,就是 0。

而且,最令人不可思议的是,量子通信不仅无法破解,还自带反窃听属性。

就算敌人截获了每一次密钥,同时拿到了「正正反反」「反正反正」「错对对错」三条信息,量子通信仍然是安全的!

信息传输所传输的比特序列是固定的,比如你要向朋友发送信息1010,那么要保证你朋友接收到1010。但是密钥分发则只要保证你和朋友所获得的密钥相同即可,比如通过量子密钥分发协议,你获得了1111(或者0000等任意4个比特),你们可以确定你们手里的比特序列是相同的,但是这个序列到底是16个(2的4次方)中的哪一个,则是随机的,是随机的物理过程给你的,这个过程中双方没有实质的消息传输。

就像两人在两地同时看月亮都是圆的,但是和双方打电话的过程毕竟不一样。


另外量子密钥分发可以不用量子纠缠,可以去wiki查看bb84分发协议