量子通信研究的若干问题_黄志洵l（中国传媒大学信息工程学院，北京100024）

量子信息学（QIT）有三个主要研究方向——量子计算、量子通信和量子雷达。量子通信的关键点在于必须有绝对保密性。但这在实际上很难，故迄今不能说这问题已经解决。因此，我们认为在2017年量子通信才获很大成就。

关键词：量子纠缠；量子隐形传态；量子通信

1  引言

近年来在国际上掀起了研究量子通信技术的热潮，卷入的国家有中国、奥地利、美国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯等国，其中以中国投入力量最大，公开报道的成果最多。量子通信（quantum communication）和量子隐形传态（quantum teleportation）是两个相互联系而又不完全相同的概念，它们的表述方式、研究内容、研究方法是有区别的。但其理论基础都是量子纠缠态（quantum entanglement），而这是先有理论分析预言而后才有实验验证及应用的研究课题。近年来中国科技大学、清华大学等高校和科研单位的研究人员对量子通信的理论与技术开展了大量研究，其成果多数发表在国际名刊《Nature》、《Science》、《Phys. Rev. Lett.》之上，国内外媒体也作了广泛报道。中国的“墨子号”量子卫星的发射和实验更将这一热潮推高。……然而据笔者所知，在国内外都有一些质疑声音；提出疑问的不仅有物理学家，还有通信专家和密码学家。因此，我们感到有必要对情况作梳理和分析，把公开报道的正面材料和反对意见都列出来，以便作进一步思考。

2  中国科学家的研究成果及网络上的批评

中国科学家潘建伟早年留学奥地利，导师是Anton Zelinger教授。他们师生研究量子纠缠态的理论、实验和应用，至今有20年了。1997年，包含他们二人在内的团队首次实现了量子态的隐形传送，成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。该成果被誉为量子信息实验领域的突破性进展。

潘从奥地利回国后成为中国科技大学教授，一直从事量子信息学的相关研究。他领导的研究组在《Nature》上多次发表论文。2003年潘成为中国科学院院士。2009年8月中科大在合肥市5个不同地点间量子进行了加密通话实验，组建的光量子电话网的核心部件，是他们独立研发的量子程控交换机和量子通信终端。为确保绝对安全，两人通话期间，密码机每时每刻都在产生密码，牢牢“锁”住语音信息；而一旦通话结束，这串密码就会立即失效，下一次通话绝不重复使用。对此，美国《Science》杂志作了报道。正是在这一时期，中国科学院决定加大对潘建伟等中科大研究团队的支持力度。

随后，中国量子实验卫星于2016年8月16日升空，潘为首席科学家。2017年6月《Science》发表的论文称，中国科学家取得了非常重要的进展。他们将量子纠缠分发的距离提高了一个数量级，由百公里级提高到干公里级，确切地说是1200公里。虽然在中国已拥有建立在城市间和机构间的地面量子通信网络，但无论通过光纤还是大气进行地面量子传输，都会有较大的信号衰减。解决这一问题的办法就是利用卫星向地面发射光子。……国外媒体评论说，虽然从理论上说纠缠光子不管跨越多长距离都能保持联系，但在现实中，往往很难在不破坏纠缠态的情况下分发光子对。如果能保持纠缠态，那么就能形成一个基本上无法拦截的信道。而现在是在千公里量级上实现了量子纠缠（中国青海德令哈站和云南丽江高美古站之间距为1203km）。潘建伟说，研究团队每晚只有5分钟的时间窗口，此时卫星轨道高度大约500公里，其信号能够同时被两个地面站接收。在卫星发射伊始，他们就已经能够实现每秒进行一次量子纠缠。他还说，目前主要的挑战是，如何在白天，光量子非常多的情况下，分辨并接收到量子卫星的信号，以实现量子通信。

2017年9月29日，世界首条量子保密通信干线（京沪干线）开通。同日，它与墨子号卫星链接，形成了洲际量子保密通信线路。最后，2018年1月有报道说：研究人员对照片进行量子加密后，将它们成功地在北京和维也纳之间进行了传输,传输距离达到7600km；接下来，两座城市的研究人员又举行了历时75分钟的视频会议，也是通过量子密钥进行加密。

以上是笔者根据媒体报道整理的大事记。然而，近年来对这些工作成果一直有质疑的声音存在。有不同意见并不是坏事，我的老师曾送我4个字：“兼听则明”。遵循他的教导，笔者做了检索。首先，没有发现发表在学术刊物上的正式质疑论文，而主要是网络文章。有十余篇，它们有长有短，水平、论点各不相同。去掉那些无价值（甚至莫明其妙）的材料，有参考价值的有5篇，其中只有2篇是署名文章。必须指出，其中一位物理学家撰写的署名文章给我以深刻的印象；该文虽非发表在学术期刊上，而且言辞过于激烈，但它严肃认真、内容充实。虽然笔者不同意其基本观点（这是因为我认为量子力学自发明后的90年光阴已充分证明其理论深刻美丽、思维方式独特而应用广泛，是物理学由传统转为现代的标志)，但笔者仍然耐心地读了这篇网文。……下面，我们总结归纳出反对量子通信（或反对说“中国已在量子通信方面取得巨大成就”）的主要理由，看看反方的主要论点。

先看理论层面；有人认为量子力学（QM）不明白什么是物理实在，Einstein的定（局）域实在性理论正确；认为对后者的否定和对J.Bell理论的肯定都是愚蠢的。说量子纠缠态理论近乎魔术和巫术，根本不会有那种“鬼魅般的隔空作用”。因此，所谓非定（局）域性远距离相关是谎言，超距作用不可能发生。量子隐形传态在数学上严格，物理上错误是伪科学。总之，认为量子通信的理论根据荒唐、错误，而说“隐形传态已成熟并可据之建设全球量子通信网”是弥天大谎。认为整个量子通信工程浪费巨大并有扩大之势，应立即停止。

其次，说量子纠缠态理论未获实验证实，仍是争议中的问题。因此在技术层面上的量子通信实验并未真正实现靠纠缠效应的信息隐秘传输，其实仍是传统的无线电收发。有一种看法认为，所谓量子卫星其实只是一个传统的激光通信卫星，它除算法外无新科技；Zelinger甚至鼓动中国发卫星，只是为了刺激欧洲国家投入经费。

迄今为止对量子通信的基本优点总是说它的加密性极好，实际上不可窃听、无法破译。但正是在这个问题上网络文章提出了严重质疑。1982年国际上出现了“量子不可克隆定理”，认为单量子不可能被克隆。据此，量子密码可提供无法窃听、不可破译的通信系统。然而有人说该定理是错误的，误解了量子态叠加原理，例如若光子不可克隆就不会有激光器。另外，所谓量子加密无非就是可以在发现有人在侦听窃取信息的时候，能自动切断通讯。故目前是以牺牲通信效果（放弃稳定的通信）来换取信息安全，而在有窃听时并保证不了接收正确信息。有网络文章指出，“量子通信”概念始于Bennett和Brassard提出的BB84协议，该协议一直被称为量子密钥分发，实际上是利用量子态来协商临时密钥，得到的是普通的比特串，而不是某些人想象的量子比特串。很多从事量子密码研究的人士连密钥和密码都分不清；严格说来，密钥是伪随机数，密码是算法。量子密钥就是利用量子态来协商伪随机数。……量子密码学立足于信息安全，从物理上剥夺了敌手窃取信息的能力。实际上信息安全与通信系统的稳定性不兼容；有了敌手就干不成事的量子通信系统最终也只能沦为一个摆设。

另外，中科大有一些夸大说法招致了反感；例如潘建伟说“可以大胆想象未来可以把人传递到遥远地方”。又如说“量子通信产业有望成为市场规模超过千亿元级别的产业”。还有，为了迈向资本市场，竟迫不及待地推进“量子产业化”；A股还推出了“量子通信概念股”……这些宣传不但未能鼓舞人心，反而起反作用。还有人说量子通信方向骗了政府最高层，已投入20亿元，至今“骑虎难下”；……如此等等。

我们罗列这些反面观点，并不是说国内大多数人（包括专家学者们）的主流意见都是反对量子通信，甚至反对量子力学本身。例如，有网文说：“认为‘中国量子通信是精心谋划的骗局’是胡扯。量子通信技术门槛高，不懂、不了解是合理的；但指控潘建伟是骗子就太过份了。科学研究允许质疑和反对，但要遵循学术规则。潘教授的工作在国际上获高度评价；不能揪住他的一两句话来说事。……另外，说“量子通信卫星就是一个传统的激光通信卫星”不对，因为二者原理不同，而且前者每次只发射一个光子，后者却发射激光束（包含以亿计的光子）。量子通信卫星的着重点是加密，适合于在绝密级信息传输中应用。

既然有反对意见（包括不理解造成的意见），如中科大团队自己作些说明，效果会更好。2016年8月17日该校合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员袁岚峰接受《环球时报》采访时表示，量子通信正是在质疑中发展壮大的，但技术性质疑不能阻止发展量子通信的战略方向。他说，在量子通信过程中，量子被测量时会发生状态的突变，通信双方一旦发现状态有变就会停止通信，因此窃听确实会阻挠通信。但这并不等于量子通信没有用。首先，这种敌对的阻挠是一次性的：其次，跟安全但可能被阻挠的量子通信比较的对象，应该是畅通但可能泄密的传统通信。与通信被阻断相比，泄密更不可取。尤其是在安全性因素压倒一切的特殊需求中，量子通信的地位无可替代。再者，当量子计算机实用化时，传统通信会变成完全无密可言。到那时，如果没有量子通信的手段，中国将会不知所措。因此无论有多少技术性问题，量子通信都应作为国家战略方向大力发展。……对于“伪科学”之说，袁认为应当看看《Nature》、《Science》、《Phys. Rev. Lett.》等顶级学术期刊，会发现全球很多科学家都在从事量子通信和量子计算方面的研究；中国也一定要做。“我们欢迎对量子信息的质疑，不断寻找所有可能的漏洞，再找办法弥补”袁岚峰举例说，1984年提出的BB84量子密码协议是否安全，一直都有人质疑。直到1999年，才完成安全性证明，文章发表在《Science》上，这是一个里程碑式的工作。后来发现大部分漏洞来自于测量仪器，所以又发明了安全性与测量仪器无关的量子密钥分发技术。“正是在这种不断的质疑与改进中，整个学科才不断进步。这是科学研究的通例。”

3  量子纠缠态理论起源及发展：从EPR论文、Bohm方案到Bell不等式

在20世纪早期，科学界的一件大事是发明了量子力学（quantum mechanics，QM）。这个理论产生的背景是人们对原子、电子、光子等微观粒子的认识需求，传统的物理学知识已经非常不够。虽然在1905年A.Einstein提出了狭义相对论（special relativity，SR），又在1915年提出了广义相对论（general relativity，GR），但对研究微观世界并无直接的帮助。从1925年6月到1926年6月，一年内QM的基本部分成型——W. Heisenberg的矩阵力学和对易关系；E. Schrödinger的波动力学和波函数，以及波动力学与矩阵力学的数学等价性；这三者构成了QM的基础。随后，在1926年6月到1927年9月，一年多的时间又完成了对QM的基本诠释——M.Born的波函数几率诠释；W. Heisenberg的不确定性原理（测不准关系式）；N.Bohr关于微观粒子波粒二象性的互补原理。很快地，QM证明了自己对原子、电子、光子的分析诠释能力，它甚至经由Dirac的工作预言了新粒子（正电子）的存在并得到证实。欧洲科学家对QM建立起关键作用；贡献最大的三个人，Heisenberg在1928年是27岁，Schrödinger是41岁，Dirac是26岁。

QM对物质、世界、宇宙持有独特的看法。在量子世界中测量将改变观察对象，而不做观察测量又无法获得认识，因而人们对“客观实在”的理解将变得模糊而不确定。如果说，客观实在本身在一定程度上取决于人对观察测量所做的选择，那么传统上认为客观世界与人无关的观念就将失效。又比如，量子系统有一种神秘的叠加态，即一个电子或光子可以同时处于两种或两种以上的状态。我们再也不能说“它在这里或者在那里”，在量子世界里我们只能说“既在这里，又在那里”。一个光子，作为照射在一个带有两个孔的屏幕上的一束光的组成部分，可以在同一时间穿过两个孔，而不是像经典粒子那样只穿过其中的一个。在环绕原子核的轨道上运行的电子，同一时刻，可能处于好几个不同的位置。

QM的出现曾在物理学界引起很大的分歧。最突出的例子是Einstein，他对QM持反对态度是众所周知的，这一态度自1926年开始露头。当年4月28日，Heisenberg在柏林大学作关于矩阵力学的报告。会后Einstein邀请比他年轻许多的Heisenberg一起散步回家。在Einstein家里，主人向客人说：“即使在云室中能清楚地看见电子径迹，您是否也拒绝考虑其轨道呢？”又说“难道您真相信单凭可观察量就能建立物理理论？”Heisenberg说：“您在狭义相对论(SR)中不正是这样做的吗？‘绝对时间’正因为观测不到才是无意义的。”Einstein回答说：“原则上不能单凭可观察量去建立理论，实际上，正是理论决定了我们能观察到什么。”……这次谈话给Heisenberg留下了深刻的印象，但他并不知道，Einstein在此前不久致Schrödinger的信中曾说，Heisenberg和Born的研究工作“脱离了正常的路径”。

1926年12月4日，A. Einstein在致M. Born的信中说：“量子力学今人赞叹，但一个内在的声音告诉我，这还不是真货色。这个理论有很大的贡献，但并不使我们更接近上帝的奥秘。无论如何，我相信他不是在掷骰子。”……但是，1927年3月刊登于《Zeitschrift für Physik》杂志上的Heisenberg论文对不确定性原理的表述为

∆p_x·∆x≥h/4π

这里∆x是微观粒子坐标，∆p_x是动量的均方根偏差，h是Planck常数。因而，微观粒子的坐标和动量（或速度）不能同时有确定值；这意味着微观粒子的运行总有无法消除的不确定性，亦即在微观世界中事件的发生常常是没有原因的。所以Heisenberg在文章中说，由于自然界的精确度方面的极限，从某种意义上讲因果律不再是绝对正确了。

存在量子纠缠态（quantum entanglement）也是QM的奇怪特性之一，而它导因于1935年发表的以Einstein为第一作者的论文；另二位作者是B. Podolsky和N.Rosen，因此被称为EPR论文。有意思的是，虽然论文充满对QM的指责，而后来的发展却是从反面帮助了QM，证明了它的正确，提高了它的威信。通俗地讲，EPR论文认为QM是一种统计理论，但它不足以完整地描写物理实在（physical reality）；文章的内容分两部分：前一部分阐述什么是物理实在；后一部分讲作者设计的一个思维实验。第二部分说：“让我们假设有两个体系Ⅰ和Ⅱ，我们让这两个体系从t=0到t=T发生相互作用；在此以后，我们假设这两部分之间不再存在任何互作用。我们再假设，两个体系在t=0以前的态为已知。于是我们就可以借助于Schrödinger方程来计算组合体系(Ⅰ+Ⅱ)在任何后来时刻的态，特别说来是任何t>T时的态。让我们把对应的波函数写成Ψ，然而我们却不能计算在相互作用以后两个体系中任何一个所处的态。按照量子力学，这只能借助于进一步的测量，通过一种叫做波函数简缩的过程来做到。”EPR论文实际上是说：①Ⅰ，Ⅱ为微观体系，例如粒子；②而Ⅰ和Ⅱ组成一个系统，Ⅰ、Ⅱ分别为其子系统；③t>T时不再相互作用（例如远离），重点应该考虑t>T的情况。

EPR坚持“局域性实在论”；这是什么意思呢？单词locality的译名是“局域性”或“定域性”，来源于EPR论文中的局域性假设（若测量时两个子系统不再相互作用，影响其中之一不会使另一个发生变化）。EPR论文中还有一个实在性判断（当对物理系统不做干预因而能预测某物理量，则必有一物理实在与该量相对应）。以上二者合称为局域实在性。EPR思维论证说，量子力学违反上述原则，因而不完备。……必须指出，QM却以非局域性(non-locality，也译非定域性)为特征思想，包含的内容是：①不成形性，即不认为物质粒子的质量、能量全部（或大部）局限于一个小范围；②超光速性，即允许信号传播速度超过光速；③相关性，即空间分离的事件可关联。所以，量子力学中的非局域性性，无论在哲学上、物理上均与相对论不相容，也与EPR论文不相容。

EPR论文发表后，著名物理学家N.Bohr立即作了反驳。而在1952年，D.Bohm用粒子物理学语言对EPR作了新表述，因而提供了进行实验的可能。Bohm所阐述的EPR思维提示了一种奇怪的量子相关。当两个旋转粒子相互作用后分开很远，其自旋相等而相反，故可从一个推断另一个。根据量子力学，两者的自旋都不确定，直到测出为止。测量确定了一个粒子的自旋方向，量子相关使另一粒子立即接受确定的自旋。这一结果即使二者相距若干光年也对。这种远距离作用暗示，粒子间有一种超距作用（实际上是超光速作用）存在。这是Einstein所不能接受的——正是这类事使他苦恼并与量子力学保持距离。众所周知，Einstein曾轻蔑地把这种现象称之为“spooky action at a distance”（幽灵般的远距作用）。科学家当然不承认神仙幽灵，因此他认为这种情况是不可能存在的。

以上的叙述给出了量子纠缠态的来源，这一概念溯源到EPR论文，只是该文不认为会有这种状态。在Bohm论文之后，还要经过30年时间，量子纠缠态的存在才在实验中得到证明。值得注意的是，Bohm的体系针对的是任何微观粒子，而不限定于光子。也就是说，可以是两个电子，或者如上文所说是原来同属1个分子的2个原子，等等。这对今天的研究人员是重要的。

不过，物理界这时仍然迷茫，不知道实验怎么做，也不清楚理论指导判据究竟是什么。这种情况在1964~1966年发生了改变，因为John Bell（一位爱尔兰籍、在欧洲核子研究中心CERN工作的科学家）的介入，这被认为是历史性的转折点。Bell在两篇论文中阐述了自己的想法和分析，认为Einstein的因果性和局域性观点与QM的表述无法共存；他提出一个与量子力学相容的隐变量模型，认为“任何局域变量理论均不能重现量子力学全部统计性预言”，推导出两粒子分别沿空间不同方向做自旋投影时一些相关函数之间应满足的不等式，即Bell不等式(Bell’s unequality)。他的讨论采用了D.Bohm建议的方法，并指出：若实验违背了不等式，QM就正确，Einstein的局域实在论就不正确。Bell本来是支持Einstein的局域性观点的，但他说究竟如何要由实验来决定。……1990年Bell因脑溢血去世，而在他的有生之年已看到有法国的团队（A.Aspect领导）用精确实验证明QM是正确的，而Einstein错了。

然而在中国，有的物理学家可能像Einstein那样不接受量子力学；因而他不但不认为EPR论文错了，却认为EPR仍是QM的软肋（或致命伤）。笔者曾就此询问量子力学专家耿天明教授的看法，承他致信笔者说：

“首先，我认为物理学界的学派区分，既对科学发展有促进作用，也有其弊端。如形成为门户之见，就会束缚思想，分析问题不易客观与公正。在量子力学(QM)方面，几大学派已是历史，今天的科学讨论不必停留在过去，并在其中寻找论战的子弹。要与时俱进，关注发展着的现实。其次，某先生文章的中心是否定1965年以来QM的成就，不承认QM的非局域特性。实际上，D. Bohm对EPR思维作了推广和发展，是一大进步。Bohm、Bell、Aspect的工作本质上一样，都是量子纠缠态。另外，很明显，波就是非局域的，因为我们不能说一个波在什么位置，故波长λ是非局域的参量；这样，按照de Broglie假设（p=h/λ），动量p也就不是局域的了。况且，按照测不准关系，某一局域位置（∆x→0），动量完全不确定(∆p_x→∞)；谈论某位置的动量无意义了，动量能是局域的吗？如果我们承认量子有波性（这是千真万确的实验结果），就应承认量子力学体现出来的非局域性是真实量子的固有性质。还有一点，虽然J.Bell最初推导不等式时引入隐变量λ及其分布函数ρ(λ)，但Bell后来的推导（以及别人的推导）均不再引入隐变量，表明只要有局域性就有与QM不符的不等式。……可以说，正是在Aspect实验之后，人们才认识到量子纠缠态的重要性，进一步开展研究后才有了量子信息科学的巨大进步。如果只停留在Bohr-Einstein争论的‘原点’，而没有Bohm、Bell、Aspect等的工作，目前的量子信息科学的诸多成就是不可能获得的。”

另外，澳大利亚物理学家G.Millburn在1998年出版的书《The Feynman Processor》中说，相对论与量子理论是无法协调的，而量子纠缠对所有的人而言都仍然是一个谜。Milburn认为，“大多数物理学家（包括我）承认，是Bohr赢了这场争论”；他回顾Bohr对Einstein的反驳，即“EPR提出的关于物理实在的标准包含了晦涩不清的成分，‘不以任何方式扰动该系统’的含义不明。不确定性原理认为，单个粒子不存在这种状态——既知道其精确的动量又知道其精确的位置。EPR思维则暗示，对未经测量的粒子在未与它发生作用时也能精确预言其动量或位置。也就是说，如粒子确处于某个物理态，当人们在远处测量其孪生物时它必同时有精确的动量和位置，因而Heisenberg不确定性原理就有了问题。……对此，正统量子力学学派是用“条件态”的概念来回答——如人们选择对粒子I的动量做测量，其孪生粒子Ⅱ的条件态就会与位置的条件态不同，它处于有确定动量的态而位置并不确定，因而Bohr认为EPR论文并不正确。此外，Milbum认为，在这方面正是J.Bell作出了石破天惊的大发现。

笔者同意上述两位物理学家的意见；只补充一点：40多年来Bell型实验不断有人用不同方式去做，反复证明了QM的正确，而且双粒子互相纠缠的距离也不断延长——从开始时的十几米发展为百公里、千公里级。在这样的用艰苦劳动取得的实验事实面前如果还要说EPR论文正确，那确实是违反应有的科学态度了。

4  量子纠缠态实验的进步：从Aspect、Zelinger到Gisin

从1972年到1982年，至少有8个实验用来检验Bell不等式是得到遵守还是被违反，其中有一次（在1975年）还是中国女科学家吴健雄参加了的。这些实验都是用光子进行，实验者用各种方法产生关联双光子——制备这样的双光子源是做缠态实验的基本要求。这些实验总的说来不够精确，在物理界并未引起大的反响。直到1982年，Aspect实验的成功才是里程碑性质的工作。

Alain Aspect是法国人，出生于1947年。成年后对量子物理极有兴趣，反复思考EPR论文及Bell论文提出的问题。很凑巧，J.Bell是Aspect博士论文答辩委员会的一个成员，而他们也曾在日内瓦（CERN所在地）进行讨论。现在既然J.Bell已经证明了任何的“隐变量理论”都无法复制出量子力学所预测到的所有结果，尤其是Bohm版EPR实验中的量子纠缠。完备的量子理论和局域隐变量理论之间有不可调和的矛盾，这通过Bell不等式清晰地呈现出来。因此，必须设计更精确的实验，以检验Bell不等式。Aspect等人在巴黎大学光学研究中心展开艰苦工作；许多装备是自行制作的，双光子源的设计也有改进。

结果是，设计的3组实验均大获成功，以高精度证明结果大大违反Bell不等式，而与量子力学的预言极为一致。他们的实验不仅是静态的，而且用动态装置检验了EPR的可分性（即局域性）原则，为物理学评价提供了可信的根据。简言之，Aspect等是先用钙原子级联辐射产生双光子，亦即用一对激光器将钙原子激发（双光子激发）至基态以成为光源，在源的两边各7.5m处有一个声光开关。偏振片以确定的几率透过或挡住光子。通过电子监视光子的命运，并评估关联的级别。实验结果表明，对光子的测量之间有强相关，虽然两套测量仪器之间隔开有15m远。Aspect说，实验表明已不能保持Einstein的物理描述，而QM却表现得“非常好”。特别值得注意的是第3组实验；这是非局域性的最终检测，这个实验要证明的是：光子之间究竟是能够互传信号，还是它们在不能互传信号的情况下依旧可以对另方状况做出即时反应（即量子力学所预言的非局域性)。Aspect设计出一种偏光装置，能以极快的速度改变偏光镜在空间里的方向，因而能够在光子对飞出后的一瞬间决定偏光镜的方向。……第3组实验也大获成功，局域性和隐变量再一次输给了量子力学。

Bell不等式被精确实验证明不成立，意味着EPR论文错了，而QM是正确酌。这件事对物理界如同地震；由此而一发而不可收，从而打开了量子信息学（quantum information technology）研究的大门。John BeIl的名字则进入了科学史，他的不等式被誉为“人类历史上最伟大的科学发现之一”。Bell的原意是要以更深刻的理论来呼应EPR，事态却走向了反面。Einstein用来否定量子力学完备性的EPR思维，反而成了证明量子理论完备性的科学思想。对粒子Ⅰ量子态的测量已证明会影响一定距离外的粒子Ⅱ的量子态，而“EPR光子对”、“Bell基”等已成为大家熟悉的名词。做Bell类型实验，首先遇到的问题是如何造成Bohm论述的所要求的双粒子体系。自然界似乎为人类实验做好了准备，一个常见的方法是利用原子级联辐射产生双光子。另一个常见方法是利用正负电子对湮灭辐射时产生双γ光子，它们不仅发射方向相反，与相反分量相应的极化也相反。

自1982年以后，国际科学界又做了多次实验，都证明结果违反Bell不等式，而与QM相符。在1982年以来的25年中，纠缠态实验中两个粒子的距离，由15m→400m→25km→144km，进展惊人。2007年在以量子纠缠为基础的量子通信距离方面创下纪录（这里的“通信”一词是广义的）。报道说，一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组在量子通信研究中创下了通信距离达144km。研究小组首先在西班牙加那利群岛的拉帕尔马岛上制造出偏振纠缠光子对，然后把光子对中的一个光子留在拉帕尔马岛，另一个光子则通过光路传送到144km外的特内里费岛上。难以解释的是这种相互作用竟与距离无关，144km也决非上限。……奇怪的量子特性刺激了物理学家们做更多研究，他们已认识到纠缠态问题是QM基础理论中的关键性内容之一。两个互相纠缠的粒子远隔千山万水却能协调行动，的确是大自然奇妙性的证明。

Anton Zelinger于1945年在奥地利出生，后来任维也纳技术大学教授，与美国MIT有密切的学术联系。他曾是潘建伟的博士生导师，如今是奥地利科学院院长。他的团队于1997年12月在《Nature》上发表题为“Experimental quantum teleportation”的论文，通常被认为是“量子隐形传态”研究的开山之作。量子隐形传态是指将一个粒子的状态转移到另一个粒子上，这第二个粒子可能在遥远之处，实际上就是将头一个粒子隐形传输到另一个位置。隐形传态是我们所能想到的对纠缠现象的精彩应用；但是，不恰当的介绍和宣传只会招来嘲笑和反对，因为这个teleportation与把一个物体（或一个人）“发送”到远方毫无共同之处。Zelinger团队的文章，第一作者是D. Bouwmeester，第二作者是潘建伟(J. W. Pan)；在6位作者中最后署名的是A. Zelinger。文章所报道的工作曾被评为当年物理学10大成果之一。通过对携带极化信息的初始光子及EPR关联对中的另一光子进行联合的Bell态测量，使关联对中的另一光子获得了初始光子的极化信息，而后者可距初始光子任意远。简言之，实验是遵循美国IBM公司科学家C. Bennett等人于1993年提出的实验方案；正是由于利用了纠缠光子对，你才可以发送出去一个量子态，而根本不曾测量它。

对Bennett方案的通俗说明如下：采用两种渠道：一是量子渠道，一是经典渠道。量子渠道由一对纠缠粒子组成，一个在Alice处，一个在Bob处。两个粒子间的纠缠态便是Alice和Bob之间的看不见的联系。这种联系非常脆弱，必须把纠缠粒子对与环境隔离开来才能得以保存。现在又有一位实验员Charlie，给了Alice另外一个粒子，这个粒子的量子态才是要从Alice处传到Bob处的信息。Alice不可能在读取信息之后再传给Bob，因为根据量子力学规则，读取信息(即测量)的行为会不知不觉地改变信息本身，从而导致无法获取全部的信息。Alice测量到Charlie给她的粒子和她手里那个与Bob的粒子相纠缠的粒子这两个粒子的联合特性。因为纠缠的关系，Bob的粒子立即做出反应，传达出Alice处的量子信息——其余的信息则由Alice通过测量用经典渠道传递给Bob。这部分信息会告诉Bob应当如何处置他手里的纠缠粒子才能完完全全地将Charlie的粒子状态变成他自己的粒子状态，从而完成对Charlie的粒子的隐形传态。值得注意的是，无论是Alice还是Bob都不知道被传送和接收的量子态是什么。……Zelinger团队的纠缠实验距离达到数百米。

现在要谈到早期研究量子纠缠成绩斐然的第3个团队，它由瑞士日内瓦大学教授N.Gisin领导。Nicolas Gisin于1982年出生于日内瓦，后来曾见到J.Bell；他投身于纠缠态实验，初始的距离只有35m；后来用光纤做实验，距离达到10.9km。……多年前一位物理界朋友问笔者：“量子力学中非局域长程关联是否瞬时作用？如不是，传递速度有多快，是否超光速的？这种超空间关联的物理本质是什么？”这问题提得好，Gisin团队的研究正是要回答这个问题。2008年该团队的Salart等将一对纠缠态光子分离，并通过两根光纤，分别从Geneva大学发送到两个村庄，光子间隔为18km（大致呈东西向），而源精确地处在中间。地球的旋转使他们可以在24h周期中测试全部可能的假设性优越参考系。在一日的所有时间中，观察到高于由Bell不等式确定的阈值的双光子干涉条纹。由这些观测得出结论，所看到的非局域相关和过去实验显示的一样是真正非局域的。纠缠态的传递速度不是瞬时的（v_qi≠∞），而是至少比光速大一万倍（v_qi≥10⁴c）的超光速；据说甚至可达10⁷c，但并非无限大。

对于实验结果，Gisin说“出现了光子间某种影响是以超光速传递的情况”（Some kind of influence appears to be traveling faster than light); 而且Gisin认为这意味着相对论的时空描述有缺陷。中国科学家也发表了看法，2010年物理学家沈致远指出：“处于纠缠态的两个光子之间具有超光速相互作用，测定一个光子的自旋，远处的另一个光子自旋立即相应改变。Einstein称之为‘怪异的超距作用’。最近瑞士日内瓦大学的一个研究组在光子纠缠实验中测得其速度至少超过光速一万倍。奇怪的是，许多物理学教科书和论文的作者却异口同声说，这并不违反狭义相对论(SR)，因为人无法用来传递信息。可是光子确实用来传递了信息，否则纠缠光子怎么会‘知道’远处的另一个光子自旋改变了呢？……物理学不是‘人理学’，为什么必须是人传递信息才算数？这种观点其实是另一版本的人本原则——以人的主观作用作为客观规律之判据。但科学尤其物理学是客观的，纠缠光子之间具有超光速作用，是许多实验证明的客观存在，这是无法否定的。我们必须放弃主观偏见，承认纠缠态中超光速传递信息是客观事实。”（着重点为笔者所加）。

5  量子纠缠态从理论研究向实用技术的转化

量子物理学的原理性研究何时以及怎样转化为实用的量子通信的？为讨论这个问题需要对“量子通信”一词有确切的定义。按照笔者的理解，它首先是指人类之间的通信，而非某种自然界天然存在的信息交换。其次，它指的不是仅靠量子技术的帮助下在通信装备上所作的改进，而是基于一种全新的原理。因此，不是可以随便就说某国（或某单位、某人）实现了量子通信。

不妨举个例子；2014年有报道说：首条量子通信线路在俄罗斯圣彼得堡国立信息技术与光学大学启用。当时，科学家将两栋教学楼通过地下光缆用量子信道连接。2016年6月，俄量子中心宣布在俄罗斯天然气工业银行两家支行间启用首条“城市”通信线路；交换的不仅是信息加密所必需的量子密钥，还有数据本身。……根据上述报道，我们能否相信俄罗斯已掌握了量子通信技术并开始实用化进程？也许可以，也许还不行。

2018年1月5日英国《每日邮报》报道说，澳大利亚Grifes大学量子动力学研究中心的研究人员把重点放在解决下述问题上——在光子传输过程中通过吸收或分发而丢失光子，则可能威胁到通信系统的安全性。随着量子信道的长度增加，顺利通过通信连接的光子越来越少，因为不存在完全透明的物质，吸收和分发会对其造成影响。这对于现有量子非局域性验证技术来说是一个问题。每丢失一个光子，就使窃听者通过模拟量子纠缠攻破网络安全设置变得更容易。解决的办法是，挑选在高损耗信道幸存的光子，将它们通过量子隐形传送传输到另一个“干净的”量子信道。为了完成量子隐形传送，研究人员额外增加了成对的高质量光子。必须高效率发送和探测这些高质量光子，使其能够弥补光子丢失。在工作中，研究人员使用了与美国国家标准与技术研究所联合开发的光子源和探测技术。

我们应当思考澳大利亚人的这项研究的核心思想。必须认识到这是一种验证——证实在不同地点的光子显示出量子非局域性。如果验证失败，即意味着可能有窃听者侵入通信网络；这一点非常耐人寻味！澳大利亚科学家正是利用量子隐形传态开发了一种要求很高的新验证法，以揭示光子是否得以通过，并从一开始就排除了任何失灵的通信连接。

因此，真正的量子通信一定是建筑在对量子纠缠态和量子隐形传送的基础之上；不使用这种原理和方法的都不进入我们的视野。我们没有必要过多叙述中科大团队走过的路，这方面的事情应由他们自己来解释。……我们要抓住量子通信的根本点——它所许诺的不可破解的保密性。传统的密码系统是利用两个极大的质数相乘产生的积来加密，这会花费很多时间并耗费太多计算机处理能力。量子系统是通过将数据交流仅限于两方——发送方和接收方，而采用了更简单的方法。纠缠光子被发送到两个事先用特定偏振态进行编码的站点。卫星利用测量偏振态创造安全密钥，站点可利用安全密钥加密或解密数据。这在技术上是不可破解的，因为使用者可以很快察觉到第三方的出现：任何窃听者不改变它、甚至是不摧毁它就无法看到这些光子。也就是说，量子力学的原理使得传输在不被发送者或接收者发现的情况下被截获是不可能的。

2018年1月19日出版的《Phys. Rev. Lett.》刊登论文，重点叙述了中国在量子加密技术方面的突破。文章说，从历史上看，密码技术的每次进步都已经被破解技术的进步所打败。量子密钥分发终结了这场战斗；就像现代计算机中用以打开加密文件的密码一样，量子密钥也是一些长字符串，但它们被编码在量子粒子的物理状态中。这意味着它们不仅受到计算机极限的保护，同时还受到物理学定律的保护。现在，量子密钥可以通过卫星传输，对相隔万里的城市间发送的信息进行加密。

中国科学院曾发布一个新闻稿，其中有一段话说：“传统公钥加密通常依赖特定数学函数的求解难度。相比之下，量子密钥分发采用处于叠加态的单个光子来确保相互远离的各方之间的无条件安全性。……技术原因此前将这种通话限制在数百公里的距离内，但我们发现了该问题的一个有前景的解决方案，方案涉及墨子号卫星。这颗卫星配有一个诱骗态量子密钥分发光源、一个量子纠缠源以及量子隐形传态接收和分析装置。此外还在西藏等地建造了5个地面站。目前正对这种加密通信系统进行测试，以便政府、银行、证券和保险企业能在今后加以运用”。

因此，中国并未回避量子通信必须具备高度保密性的话题。中国科学院的科学家们说：“在墨子号卫星发射一后的一年里，我们在构建‘量子网络’之路上迈出了三大步：实现了从卫星到地面1200公里距离的量子密钥分发；从地面到卫星的量子隐形传态；以及进行量子保密视频通话的第一组实验。得益于此，我们将通信质量提高到光纤通信的20倍。”中科院称，墨子号已第一次用于实际通信。中科院院长白春礼与奥地利科学院院长Zelinger进行了世界首次洲际量子保密视频通话。这次通话使用的量子密钥先通过“京沪干线”北京控制中心与墨子号卫星河北兴隆地面站连接，然后通过墨子号进入奥地利地面站。“京沪干线”是一条连接北京、上海并贯穿济南和合肥的量子通信骨干网络。拥有量子通信地面站的维也纳和格拉茨之间也有类似的网络。这些网络和墨子号帮助在北京和维也纳之间建立了连接，从而实现两位科学家的量子保密视频通话。

笔者认为，只要上述情况都是真实的，那么我们可以得出结论说：高保密性的远距离量子通信是在2017年实现了。鉴于网上的质疑文章大多写于2017年之前，不知大多数作者是否已能接受笔者的说法？

还应指出，中国的研究团队已诚实地承认，墨子号卫星同地球之间的联系仍非绝对安全。正如他们的论文所说，缺陷在于卫星本身。只有通信方相信没有怀有恶意的宇航员秘密闯入卫星本身，从源头读量子密钥，这个系统才没有问题。……其次，一些西方的分析人士认为，这一技术是不完善的，因为它有着固有的弱点：它依赖于激光，激光通常被调到低强度时，会意外地复制光子；第—个光子可被加密，但第二个不能。因此，现在说这一技术“绝对安全”尚为时过早，媒体宣传可能有些过份了。

6  存在的问题

从2017年下半年起，网上对量子通信的议论更多人转向积极方面。例如说，潘院士不是第一个提出量子通信，也非最早在工程上实现（如十几年前的DARPA），但他克服了无数困难走在了世界前列。不能因为欧美未发射量子卫星而中国射了就说是骗局。使用量子纠缠生成密钥作加密通信，为何不是量子通信？由量子纠缠得到量子密钥，又火热研究路由协议和中继。量子信道虽不直接传递信息，但配合经典信道可以实现绝对保密的信息传输。但应用范围有限是个问题。……有网友指出，量子计算机可破解RSA非对称加密的通信，Shor算法可快速分解质因数。美国目前主要发展量子计算机，一旦成功可彻底打破数学加密，中国研发量子通信是必要的；“商用价值”不是唯一的判断标准。商用常是后来之事，是“技术溢出”。很多技术发展开始都是为军事服务，通信安全是战斗力的保证。……也有人更大胆地认为，不但量子通信是真的，绝对保密，且能超光速，其原理可行，现在只是初步实验。利用光子几率波可以实现超光速通信，例如达到v=10³c；可以用光纤来实现。（这说法引起笔者很大兴趣，因为正如大家所知我们多年来一直在思考这个超光速通信可能性问题）。……但也有人持慎重态度，例如认为量子通信就是“用量子技术加密的通信”，而非“使用量子纠缠的瞬间超光速通信”。也有人坚持说，量子计算机问世之前，传统通信加密技术即可保信息安全；它如造出，量子纠缠派送密钥也不能安全。因此说“已绝对安全”就是欺骗。

与此同时，人们继续指出当前存在的突出问题。首先，所谓量子通信其实是传统通信（光纤、卫星等）+量子密钥分配，没有颠覆传统通信；只是实现了保密、无法破解。它成本高昂，而经典方法（数学加密）也安全、便宜，因而量子通信代替不了传统通信。伪随机算法好用、便宜，为何要买量子通信设备？传统的加密法（如大质数分解）在军事上已足够，量子通信的必要性成为问题；说“量子通信在未来会完全代替传统通信”就是骗局，但潘团队的工作不是欺骗，两者要分开。尽管量子通信有意义，但在大范围的实用化和产业化尚需时日。

其次，目前的量子通信实现的是远距离纠缠和密钥分发，一般认为可以完全保密。从原理上讲，有人窃听时会自毁。当然也不能通信了，这问题尚无好办法解决。而且，光加密、解密是不够的，还有量子认证、量子签名、量子中继器和量子路由器研制等诸多问题需要研究。

另外，为了构建量子卫星实验系统，位于成都的中科院光电技术研究所承担了研制地面望远镜的任务。因为通信是使用激光，望远镜向卫星发送信标光，光束直径小于5mm；卫星收到后立刻反馈另一束激光给地面站。正是由于有了高精度光学系统，配合以优良的伺服控制系统，才能完成实验任务。4个地面望远镜分别设置在河北、青海、云南、新疆，口径达1m以上。但这种体系只能在天气晴好时工作，阴雨雾霾时是无法应用的。这也就招致了“没有实用价值”的批评。甚至引起了怀疑——有人说，这怎么能叫量子通信？真正的量子通信是利用量子纠缠不依赖时空的通信，即使在火星通讯也不会有大的延迟，也没有中间物体如天气的影响。现在这个量子卫星似乎没有什么量子的东西，只是换了加密机制而已。

再者，由于现在强调了纠缠态的使用，给人的印象为“量子通信是单光子的极弱光通信”。但相关的情况介绍又说使用了直径5mm的激光束，不清楚量子通信的实施是靠一对纠缠光子还是无数对互相纠缠的光子？……诸如此类的问题很多。

笔者的观点是，当前应从基础理论入手，才能真正深刻地认识量子通信。首先要了解自然界真实存在的物理作用。在这里，“作用”对应的英文词是interaction，在实际中分为两种情况：①既有力效应又有能量传递的作用。例如，引力场的作用，电磁场的作用，核强力、核弱力作用，均属此类。这类当中又分近距作用、超距作用两种情形。电磁作用属于近距作用，引力作用是超距作用。②没有力效应也没有能量传递的作用，量子纠缠态即属此类，亦即EPR问题。实验证实，在量子世界中有一种超距的、即时的联系（相关）存在，体现在量子纠缠态中，但并未发现力效应、粒子传递和能量输送。迄今对互相纠缠的粒子对而言，已确定无疑地证明了超光速联系（相关）的存在，这就是瑞士日内瓦大学N.Gisin团队的实验。因此我们可以得出以下结论：如从物理学的角度看，即使世界上没有人类，互相纠缠的粒子已有信息传递，即自然界中天然存在的量子通信。但是，从“人理学”（借用沈致远先生的说法）的角度看，即“通信”一词是指人类之间的信息交换；那么“量子通信”确是从未有过！今天的技术是否适合使用这个词，窃以为还有斟酌的必要。……当然，如果有人不承认纠缠光子的存在，那就没有什么好讨论了；不过我们提醒一点：制备纠缠态双光子以及做Bell类型实验，那可是当今世界上许多实验室都会做（也做过）的事情。

7  结束语

量子理论包含量子力学（QM）、量子场论（QFT）等丰富内容，长期以来停留在基础研究的层面。上世纪末到本世纪初，量子信息学（QIT）开始发展，速度越来越快。现在有三个方向是：量子计算机（quantum computer）、量子通信（quantum communication）、量子雷达（quantum radar），在这几方面中国都有科研机构在做。这是正确的，因为它们象征未来。有一句老话说：“世界潮流浩浩荡荡，顺之者昌逆之者亡”；如果中国放弃这些方向，恐怕会犯战略性错误。

量子通信以量子非局域性和量子纠缠态为基础，后者被称为物理学中的最大谜团(the greatest mystery in physics)。它显得怪异，但却是由实验证实的事实。既然多国的实验室早就能制备互相纠缠的双光子（亦称EPR光子对）并在科学实验中应用，而互相纠缠的距离也一再在实验中创造出新记录，再说“量子纠缠是魔术、巫术”就不合适了！

有的物理学家和通信专家转不过这个弯子，被传统思维捆住手脚，窃以为非国家之福。当然，新技术从幼稚走向成熟需要一个过程，人们应多一些理解。不管怎么说，量子理论走出了象牙塔是好事；而任何技术是否具有价值，时间都会证明一切；对此我们拭目以待。

有一句话说：“这个世界比我们所能想象的还要奇怪”。因此，我们应当敬畏自然，在她面前永远保持谦虚。宋健院士曾说：“终极真理还在极远处”，讲的是人类的理性思维时间还太短，真正的自然科学自诞生至今只有数百年。这些话都能让我们清醒。

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[28] https: //www.zhihu.com/question/20843443

Some Problems in Research of Quantum Communication

HUANG  Zhi-Xun

（Communication University of China, Beijing 100024）

Abstract: In 1935, A. Einstein, B. Podolsky and N. Rosen published the thesis “Can quantum mechanical description of physical reality be considered complete? ” The locality principle in this thesis echoes his Special Relativity (SR), but it is not consistent with the Quantum Mechanics(QM). D. Bohm made statements upon the EPR thinking idea experiment in modern way in 1951, he made a groundbreaking start in quantum entangle state research. Based on this, J.Bell presented the hidden variable theory called Bell’s unequality in1965. However, during 1981 to 1982, A. Aspect got the results based on several high accurate experiments, which is inconsistent with Bell’s unequality but consistent with QM. Then we know that the two particles system resulted the peculiar correlations that QM predicted, and it existed the ultra-space effect is in contradiction with the EPR thinking. In the next several decades, the Bell-type experiments was continue working, the distance of entangled photons from 15m by Aspect grew to 144km, and in 2017 it reached 1200km by the quantum communication satellite of PRC, it was astonishing achievements. The mistakes of EPR thesis give us the deep enlightenment in scientific study. Recently, the developments of quantum communication technology was based upon the quantum non-locality and the quantum entanglement.

    There are three situations in Quantum Information Technology ( QIT ) research include: quantum computation, quantum communication and quantum radar. The key problem of the quantum communication must be secret absolutely. But it is a very difficult technology in practice, no one can say it’s a solved problem. Under this consideration, we believe that the quantum communication experiment achieve a great success only in 2017.

Key words: quantum entanglement; quantum teleportation; quantum communication

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附言：本文为修改稿（定稿），请以此为准！