原文發(fā)在奇跡號(hào)上侠坎。
聽說中國(guó)發(fā)射了一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（Quantum Experiments at Space Scale）。
它的任務(wù)之一就是實(shí)驗(yàn)量子秘鑰（Quantum key）扶踊。
要理解什么是量子秘鑰泄鹏，我們首先自己?jiǎn)栕约海?/p>
什么是通信？
假設(shè)兩個(gè)人秧耗，A和B备籽，A對(duì)B說了一句話：
Help!
這個(gè)就是通信。
如果我們考察這個(gè)過程的話分井，可分為三個(gè)單元：
- A發(fā)出信息车猬，通過聲帶；
- B接受信息尺锚，通過耳膜珠闰；
- 信息通過聲音傳播，需要空氣作為介質(zhì)瘫辩。
A傳遞給B的信息是有意義的铸磅，在這里是人的自然語言赡矢，B聽到這個(gè)后，懂得并導(dǎo)致其后續(xù)行動(dòng)阅仔。
如果我們只考察這里的信息吹散，
Help!
我們應(yīng)如何表示它？
純粹物理的角度八酒，我們可以把它表示為（不同頻率）聲音強(qiáng)度隨時(shí)間的變化空民，但這個(gè)太瑣碎了，很多細(xì)節(jié)我們并不需要羞迷。
適度抽象后界轩，我們說這就是26個(gè)字母在時(shí)間軸上“由左到右”，“有方向地”展開衔瓮。
簡(jiǎn)單說就是這樣浊猾，我們可以管這個(gè)叫編碼，常見的編碼有：
- 二進(jìn)制热鞍，0101這種葫慎；
- 16進(jìn)制；
- 當(dāng)然還有英文字母薇宠；
- 中文的漢語拼音偷办，借用英文字母（精確講應(yīng)是拉丁字母）。
現(xiàn)在通信可被敘述為A向B發(fā)送一段有序的編碼澄港，比如：
Hi, ...
這段編碼A椒涯、B看了都懂。于是A就能讓B幫他做事情回梧，比如A對(duì)B說：
把紅色的旗子舉起來废岂。
但有時(shí)我們不希望別人知道這段信息，比如打仗的時(shí)候狱意，敵人C可能會(huì)截獲這段信息湖苞，從而知道A的意圖，從而不利于A和B髓涯。
這個(gè)時(shí)候就需要加密了袒啼。
能否設(shè)想一個(gè)最簡(jiǎn)單的加密方案呢？
據(jù)說古代斯巴達(dá)人是這樣來傳遞信息的纬纪，將軍A和前線指揮官B各持一根木棍蚓再，這兩根木棍是完全相同的，主要是“粗細(xì)”包各。
將軍A拿出一定粗細(xì)的紙條（或者皮革條）摘仅，以特定角度把紙條纏繞在木棍上，然后沿平行于木棍的方向?qū)懴旅睿?/p>
Blah, blah...
然后再把紙條取下來展開问畅，繼續(xù)在紙條上寫滿字母娃属，也許是這樣的：
cxBaxhnlxhon...
現(xiàn)在這個(gè)紙條上的信息就是被“加密”過的了六荒，將軍A可以把紙條交給傳令官C，由他送給前線指揮官B矾端。
假如敵人截獲了這個(gè)紙條掏击，它是看不懂上面的信息的，除非……秩铆，知道加密的方案砚亭，及棍棒的粗細(xì)和纏繞紙條的傾斜角度。
拷問傳令官C也沒用殴玛，因?yàn)樗麤]見過加密用的棍棒捅膘。
以上就是一個(gè)加密的方案，在這里我們需要的其實(shí)是兩個(gè)數(shù)字滚粟，一個(gè)是棍棒的粗細(xì)寻仗，一個(gè)是紙條纏繞的角度，當(dāng)然想想的話凡壤，我們會(huì)補(bǔ)充上第三個(gè)數(shù)字署尤，即我們由第幾位開始讀。
這三個(gè)數(shù)字就是秘鑰鲤遥。
現(xiàn)在的問題是如何傳送秘鑰沐寺。
我們打個(gè)比喻：
我們想傳送的信息就是一個(gè)密碼箱林艘，秘鑰就是密碼箱的鑰匙盖奈，即密碼。
一般來說密碼箱的密碼就是三個(gè)數(shù)字狐援，比如：
798
這個(gè)798有意義嗎钢坦？
完全沒有意義，因?yàn)樗⒉淮淼孛督矗绻阏J(rèn)為這是個(gè)地名的話爹凹，那恰恰是不能make sense的。
但完全沒有意義镶殷，完全隨機(jī)的三個(gè)數(shù)加上密碼箱就能對(duì)應(yīng)有意義的信息禾酱。
我們用無意義的密碼打開了看不懂的密碼箱，得到的是有意義的绘趋，能看懂的文件颤陶。
密碼箱可以隨便給所有人看，被敵人C截獲也不怕陷遮，因?yàn)樗鼪]有密碼滓走。
所以現(xiàn)在的問題就變成，如何生成這個(gè)密碼帽馋，使得只有A搅方、B知道比吭，而C不可能知道。
這就需要用到量子力學(xué)了
措辭的角度姨涡，
我小心翼翼地不說我們傳送密碼衩藤，
我喜歡說我們（A、B）生成了密碼（所以這與狹義相對(duì)論并不矛盾）涛漂。
這個(gè)生成慷彤，可以比喻為“擲骰子”，骰子一擲怖喻，A和B就知道密碼了底哗，而且是相同的，然后A用這個(gè)密碼去加密信息锚沸，而B用密碼解密收到的信息跋选。
被傳遞的信息是可以讓全世界人知道的。
我們利用量子糾纏來擲骰子
我們想象兩個(gè)硬幣哗蜈，一個(gè)向上前标、一個(gè)向下，一個(gè)在A手邊距潘，一個(gè)在B手邊炼列。
設(shè)想這兩個(gè)硬幣通過一根剛性的桿子焊死，
設(shè)想它們圍繞剛性的桿子飛速地旋轉(zhuǎn)起來音比。
我們管這個(gè)就叫量子糾纏俭尖。
桿子轉(zhuǎn)的飛快，A沒法說他手邊這個(gè)硬幣是向上還是向下的洞翩，除非他
“啪”
地拍下去稽犁，然后看一眼，
A有一半幾率得到硬幣向上骚亿，另一半幾率向下已亥。
同時(shí)假如B立刻在遠(yuǎn)處觀察他手邊的硬幣的話，所謂觀察就是他
“啪”
地一下也拍下去来屠，他看到另一硬幣的取向一定和A相反虑椎，A、B并不需要通信俱笛，通過這個(gè)“量子機(jī)制”就能知道對(duì)方手上硬幣的取向捆姜。
但可惜硬幣可以有很多取向，我們的剛性機(jī)制只能保證兩個(gè)硬幣取向恰好相反嫂粟。
簡(jiǎn)化敘述娇未，我們會(huì)說取向可以是“上、下”星虹，“左零抬、右”或“前镊讼、后”的。
我們可以沿“上平夜、下”方向拍下去蝶棋，也可以“左、右”或“前忽妒、后”玩裙。
我們約定A每次拍下去的方向是任意的，B在遠(yuǎn)方也任意地拍他手邊的硬幣段直。
假設(shè)第一次吃溅，A是上下拍，得到硬幣取向是一半上鸯檬，一半下决侈。不妨假設(shè)是“上”。
但B和A是獨(dú)立隨意地拍硬幣喧务，假設(shè)B是按“左赖歌、右”的取向“拍”。此時(shí)會(huì)如何呢功茴？
A端向上庐冯，因?yàn)榱孔訖C(jī)制，B端硬幣取向應(yīng)該是向下的坎穿，奈何B是“左展父、右”拍，我們只能說有一半可能是左赁酝，一半可能是右犯祠。
不妨假設(shè)B端拍下去的結(jié)果是“左”旭等。
類似地我們可以得到一系列結(jié)果酌呆，并記錄如下：
| A | 取向 | B | 取向 | 匹配 |
|---|---|---|---|---|
| “上下” | 上 | “左右” | 左 | No |
| “上下” | 上 | “上下” | 下 | Yes |
| “左右” | 左 | “上下” | 下 | No |
| “前后” | 前 | “前后” | 后 | Yes |
| “左右” | 右 | “左右” | 左 | Yes |
| “上下” | 下 | “前后” | 前 | No |
...
這個(gè)記錄可以很長(zhǎng)，在做完如上操作后搔耕，A隙袁、B在互相告訴對(duì)方拍下硬幣的取向。
就是A說
“上下”弃榨、“上下”菩收、“左右”……
B說
“左右”、“上下”鲸睛、“上下”……
在說這些信息的時(shí)候娜饵，拍硬幣的動(dòng)作已經(jīng)完成了，所以不怕C偷聽到官辈。
A箱舞、B知道這個(gè)信息很有用遍坟，他們可以把不匹配的測(cè)量都劃掉（對(duì)應(yīng)這里，就是我標(biāo)“No”的那些）晴股，剩下的就是“秘鑰”了愿伴，A、B并不需要直接告訴對(duì)方秘鑰是什么电湘，就已經(jīng)知道了隔节。
假如C硬要偷聽會(huì)如何呢？
假設(shè)C成功地偷聽寂呛，所謂成功偷聽就是C在B之前就偷偷地捉到了硬幣怎诫，并搶先拍了下去。
但C并不知道A贷痪、B是延什么方向拍硬幣的刽虹，同時(shí)A、B都是隨機(jī)地按不同方向拍硬幣呢诬。
C只好也隨機(jī)地拍下去涌哲。
可能拍下去的取向和B的選擇相同，也可能不相同尚镰。幾率都不是0
考慮ABC可以有不同拍硬幣的取向阀圾，我們可以選取以下兩種情況進(jìn)行討論：
第一種，ABC拍硬幣的方向都相同狗唉，A上導(dǎo)致C下初烘，C得到下后，再把它傳給B分俯，B將也得到下肾筐。
| A | C | B |
|---|---|---|
| 上 | 下 | 下 |
此時(shí)B無法判斷是否被偷聽。
第二種缸剪，C拍下去的方向和AB拍下去的方向不同吗铐，同時(shí)AB拍下去的方向相同：
| A | C | B |
|---|---|---|
| 上 | 右 | 上 |
A得到上，假如不被C偷聽的話杏节，B一定是下唬渗。但C偷聽了，并恰好選取的是左右方向奋渔，假設(shè)得到右镊逝，B是對(duì)“右向”硬幣沿上下方向拍下去，有一半幾率上嫉鲸，一半幾率下撑蒜，不妨假設(shè)正好是上（無人偷聽?wèi)?yīng)該是下）。
如果A、B互相交流一下他們的硬幣取向簿記結(jié)果的話座菠，他們就會(huì)發(fā)現(xiàn)：
被人偷聽了！
這個(gè)過程辈灼，可以稱之為校驗(yàn)巡莹。對(duì)校驗(yàn)的部分降宅，不僅拍硬幣的取向A腰根、B需要互相交流额嘿，拍硬幣的結(jié)果（即取向簿記）也需要互相告知對(duì)方。
可以想象這是一串?dāng)?shù)字东帅，只要這串?dāng)?shù)字夠長(zhǎng)靠闭，將能發(fā)現(xiàn)是否被偷聽愧膀。
假如校驗(yàn)后檩淋，發(fā)現(xiàn)A上一定對(duì)應(yīng)B下抢肛，A左一定對(duì)應(yīng)B右，A前一定對(duì)應(yīng)B后，則說明沒有人偷聽莲镣。
我們可以這么構(gòu)造生成秘鑰的過程瑞侮，在最終簿記結(jié)果中隨機(jī)選取“校驗(yàn)”和“真實(shí)”的部分鼓拧。
校驗(yàn)部分季俩，發(fā)送“拍下硬幣方向+硬幣取向”結(jié)果給對(duì)方酌住，真實(shí)部分只發(fā)送拍下去的方向，不發(fā)送硬幣取向都哭。假使校驗(yàn)部分百分百相合的話欺矫，說明無人偷聽展氓，秘鑰有效带饱。但如果并非百分百相合，而是特定百分比的話教寂，則說明有人偷聽酪耕，秘鑰無效迂烁，需要重新生成。
參考鏈接
Sheldon: 量子通信衛(wèi)星到底是什么鬼盟步？
PhysicsWorld: China launches world's first quantum science satellite
（這篇文章挺有意思，它告訴我們老外在用納衛(wèi)星做和中國(guó)科學(xué)家類似的事兒躏结，當(dāng)然花的錢會(huì)少很多。）
