注：這篇文章是我在量子計算課程中交的大作業（其實老師想讓我們寫學術性文章的，我寫的內容不是很符合要求，全篇沒有一個公式，側重科普介紹，也確實是很認真的去寫的）。
本文嘗試對量子通信以及量子隱形傳輸技術進行科普介紹，力求通俗易懂。由於個人水平有限，如有不當或錯誤之處，望批評指正。
量子（Quantum）
量子是現代物理的重要概念。最早是M·普朗克在1900年提出的。他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的，只能取能量基本單位的整數倍。後來的研究表明，不但能量表現出這種不連續的分離化性質，其他物理量諸如角動量、自旋、電荷等也都表現出這種不連續的量子化現象。
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，並把最小單位稱爲量子。量子英文名稱量子一詞來自拉丁語quantus，意爲“有多少”，代表“相當數量的某物質”。在物理學中常用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體。例如，“光的量子”（光子）是光的單位。
通信加密技術
現有的通信技術通常利用電磁波等進行傳輸，爲了確保信息傳輸安全，不被第三方中途攔截獲取，需要採用加密的方法。加密的方式有很多，例如一種最原始的方式凱撒密碼，將每個英文字母用它在字母表中後面第n個字母代替，例如n取1，testabcd可以被轉換成uftubcde，接收方通過相反的方式還原即可。當然這種原始的加密方式很容易被破解。
在這個加密通信過程中，發送方和接收方需要知道加密、解密的規則，從而正常通信。不知道解密規則的第三方在傳輸過程中獲取了加密信息，也無法對其進行還原。簡單的，可以把這種加解密規則理解爲通信的密鑰。密鑰需通過安全的方式進行傳輸，讓發送方和接收方共同知道，並確保不會被無關人員獲取，須確保絕對安全，否則加密就失效了；並且密鑰自身不能被加密，否則又需要知道加密密鑰所用的密鑰了。而這種安全可靠的傳輸很難得到保證。
注意，只需要保證收發雙方的密鑰是對應的就可以正常通信了。所以密鑰既可以是發送方發給接收方，也可以反過來，還可以是安全可靠的第三方將密鑰同時發送給收發雙方。
公鑰加密技術
前面的凱撒密碼，知道了加密方法，解密方法自然也就得到了。而目前廣泛使用的公鑰加密系統中，即使知道了加密方法，也無法知道解密方法。RSA是一種常用的公鑰加密算法，基於下面的簡單數論事實：兩個很大的素數，可以用計算機很輕鬆的得到它們的乘積；但是反過來，想把這個乘積重新分解成兩個大素數，對於現代計算機來說卻很困難（但不是不可能，而是需要很長的時間去運算，例如幾百年）。
接收方通過算法隨機生成一套公鑰和私鑰，私鑰用於解密，接收方自己保留；公鑰用於加密，將其發給發送方，甚至可以將其完全公開。發送方通過公鑰將信息加密後發給接收者，接收方再通過私鑰解密即可。第三方即使獲取了公鑰，也不能破解加密的信息。
公鑰加密還有一種恰好相反的用法。在上面的例子中，如果有個接收方的冒名頂替者，向發送方發送了它的公鑰，不知情的發送方將信息發送給冒名頂替者，就會造成信息泄露。爲了鑑別是否爲真實的接收方，要求接收方生成一套公鑰和私鑰，通過私鑰產生一個數字簽名，並將公鑰通過證書發送給發送方，發送方用公鑰解密數字簽名，即可驗證接收方（只有持有私鑰的接收方纔能產生正確的數字簽名）。
量子態與量子糾纏
電子做穩恆的運動，具有完全確定的能量，這種穩恆的運動狀態稱爲量子態。
假設有兩個粒子（例如光子或原子）組成糾纏態系統。兩個粒子A和B都處於一半左旋一半右旋的量子疊加狀態，並且兩者的旋轉方向始終相反；但在用儀器測量之前並不知道某個時刻誰是左旋，誰是右旋。
當AB相對運動直到離得很遠時，對A進行測量，A會立刻由量子疊加態坍縮爲確定態，表現出左旋或右旋狀態的一種。而此時，距此很遠的B粒子也會立刻坍縮成確定態。並且經過無數次的實驗，AB始終表現出相反的旋轉狀態（一個左旋，另一個右旋）。儘管兩個粒子距離很遠，但它們狀態的改變是完全同時的，即使是光速也達不到這麼快。這就是量子糾纏。
中科大量子信息實驗室的郭光燦院士曾用比喻解釋這個問題，說在美國的女兒生下孩子那一瞬間，遠在中國的母親就變成了姥姥，即便她自己還不知道。
知乎上還有網友說了個形象的故事來解釋這個問題。三國時期某年，曹操令司馬懿、張遼掛帥兵分兩路於漢中和荊州伐蜀，諸葛亮出漢中，劉備出荊州拒敵，諸葛亮到達漢中，遠遠見敵方大將乃是張遼，心中暗道不好，主公怎的遇上了司馬懿？諸葛亮爲什麼見到了張遼就知道劉備遇到的是司馬懿？因爲出兵的只有張遼和司馬懿，如果諸葛亮遇到了司馬懿，那麼劉備就會遇到張遼，如果諸葛亮遇到了張遼，劉備就會遇到司馬懿。這就是諸葛亮和劉備雖然遠隔千里，卻也能第一時間知道劉備遇到的是誰。
物理學理論的本質
至於爲什麼會有量子糾纏這種匪夷所思的性質呢？這一點恐怕很難解釋。
當我們把石頭從地面平拋一億次，每次都會落地，於是我們得出一條結論，石頭拋出去會落地。但物理理論的本質並非真理，而是客觀規律，我們並不能保證下一次平拋石頭還會落地。沒有絕對正確的理論，有一天我們發現當石頭拋出的速度很快時，石頭不再落地，而是繞地球旋轉，於是我們得出來新的結論。新的理論，在原有理論的基礎上，進行了補充和完善，這正是物理學的發展過程。
而今天的社會，正是利用了很多這樣的科學規律，通過巧妙的工程方法，實現了各種奇蹟。通過半導體器件的物理特性，我們製造出基本的邏輯門電路，並利用各種手段，最終製造出了功能強大的計算機。而這在古人看來，是不可思議的。同樣的道理，利用量子糾纏等很基本的物理特性，或許也能徹底改變世界。
量子通信
廣義的量子通信主要涉及：量子保密通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。本文重點要討論的，正是前面兩種技術。
目前行內所說的量子通信，指的是狹義的量子通信技術，一般稱爲量子保密通信，或量子密鑰分發（Quantum Key Distribution）。量子密鑰分發要解決的問題，並非取代現有的通信技術，而是爲了解決通信安全問題。
前面已經介紹了現有的公鑰加密手段，公鑰加密並非不可解密，而是現有計算機的計算能力難以破解。而計算機的性能不斷提高，特別是分佈式計算和量子計算機的研製，可能導致現有的大量公鑰加密失效，造成很嚴重的後果。量子密鑰分發則藉助量子力學的基本特性，去實現密鑰的安全分發。
量子密鑰分發可利用量子糾纏的特性去實現。發送方或接收方，通過一定的手段製備出兩個處於糾纏態的光子。將其中的一個，通過光纖發送至另一方，接收到後雙方對光子進行測量。根據量子糾纏特性，兩個光子一個左旋一個右旋，這樣雙方就可以得到互補的二進制0和1。至於哪一方得到0哪一方得到1並不影響密鑰分發，因爲只需要雙方的密鑰對應即可。在這個過程中，並沒有真正的實現一方將任意信息發送給另一方，但雙方得到了相互對應的密鑰（這就是前面介紹密鑰時所說的，第三方將密鑰發送給收發雙方，這裏的第三方，或許可以想象成上帝吧）。另外由於是通過粒子作爲傳輸載體的，也不能實現超光速通信。
量子密鑰分發的安全性
理論上來說，量子密鑰分發能實現絕對的安全，物理原理決定了第三方不能獲取到密鑰。這主要基於兩個重要原理，分別是量子態不可克隆原理，和海森堡測不準原理。
不可克隆原理，說的是不能實現量子態的完美複製（不完美是可以的），也就是前面所說的粒子傳輸過程中，無法完美複製它的量子態。說的形象一點，A和B兩個糾纏態粒子，A一會兒左旋一會兒右旋，而B和A始終保持狀態完全相反。無法實現讓粒子C的運動狀態保持始終和B一樣，也就是不能完美複製。
測不準原理，是說對量子態進行測量，很有可能改變它的狀態。例如原來是左旋，可能測完就變成了右旋。
於是在粒子傳輸過程中，第三方不能複製它的量子態，也不能對它進行測量。一旦進行測量，接收方收到的狀態就會有很大變化，從而得知有第三方進行了測量，於是這個密鑰不安全。
而在實際當中，由於工程技術原因，目前還難以保證絕對的安全，可能存在一些方法對此進行破解，需要進一步完善。
量子隱形傳態（Quantum teleportation）
量子隱形傳態，又稱量子隱形傳輸、量子遠距傳輸等。利用量子糾纏，將甲地的某一粒子的未知量子態，瞬間轉移給乙地的另一個粒子。如同經歷了科幻小說中描寫的“超時空傳輸”，在一個地方神祕地消失，不依賴任何載體，又在另一個地方神祕地出現。
2012年8月，中國科學家潘建偉等人在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。
量子隔空傳物的可能性
在很多科幻電影例如《星際迷航》中，常看到未來的高科技，通過某種技術將人或飛船從一個地方瞬間轉移到另一個地方，非常神奇。很多人或許期待這種技術的發明，但能否實現呢？
物質是由基本粒子構成。一些人認爲，對於物體來說，信息是其構成的根本，而原子等粒子本身並不重要。也就是說通過轉移量子態，等價於轉移物體自身。於是物體的轉移變成了通信問題。這是目前量子隔空傳輸物體技術實現的基礎。
維基百科中“量子隱形傳態”詞條指出，量子遙傳與一般所說的瞬間移動沒有關係，量子遙傳無法傳遞系統本身，也無法用來安排分子以在另一端組成物體。
能夠傳遞一組信息並不意味着已經可以傳遞實物。“我們對世界的瞭解仍然不夠透徹。”一位研究者說。“科學家們現在還不知道應該如何通過隱形傳輸的方式傳送實物，我們曾經以爲世界上最小的是原子，可是後來發現原來裏面還有質子和中子。然而，沒有人知道質子和中子是否還能被繼續拆分。更何況想要傳送一個生命體，又該如何處理他複雜的腦電活動呢？”
中科大研究員彭承志說：“目前我們實現的僅僅是單光子量子態的隱形傳輸，在未來有可能實現複雜量子系統的量子態隱形傳輸，但距離宏觀物體的量子態隱形傳輸還具有非常遙遠的距離。”
從現有的研究來說，目前只能實現在光子、原子等微粒之間轉移量子態，且距離有限，而量子隔空傳物並沒有實驗可以支持。理論上，也沒有證據能支持這種技術實現的可能。但是科技的發展總是讓人難以置信的，或許以後真的會實現。
量子傳輸的科幻
量子隱形傳輸，轉移粒子的狀態，轉移的是信息而不是物質，類似於計算機中轉移硬盤文件。文件是虛擬抽象的東西，其本質是信息，而磁盤是其載體。通過對物理磁盤進行磁化，保存文件信息。而文件可以通過網絡等方式，從一個地方轉移到另一個地方，磁盤本身並沒有轉移。
一方面，計算機中可以通過通信系統轉移文件信息；另一方面，直接通過物理方式運輸存有數據的磁盤等存儲設備，可以實現非常高速的文件轉移。反過來考慮，物體的轉移，是否可以不通過物理方式進行呢？如果物質的本質是信息，粒子只是信息的載體，那麼通過量子實現隔空傳物就會有可能。
如果量子傳輸技術有了初步實現，能傳輸小的物體，是否有可能傳輸生命體呢？人的意識（或是靈魂），是否可以分解成粒子的量子態進行轉移？與此有點像的一個問題是，如果對磁盤進行量子轉移，能否保留其上的磁性從而實現文件數據的轉移？對磁性的本質，我們的理解還是不夠清楚。
從某種程度上來說，“隔空傳物”的技術已經初步實現了，3D打印就是。例如一個塑料製品，只需要將其轉化爲3D模型並通過網絡將其傳輸到另一處，就可以通過3D打印機還原出外形與之基本一致的物體。3D打印的一個特點是，物體可以複製很多份。而量子傳輸能否做到這一點呢？或許量子態不可克隆原理會導致量子傳輸只能轉移物體，而不能複製物體；也或許未來的科技能突破這種限制。
如果量子傳輸技術實現並且成熟應用，世界會發生巨大的變化。快遞業可能不再存在，或發生顛覆性的變化；交通運輸也可能完全轉變形式。很多人覺得即使這種技術出現，也不敢嘗試去傳輸自己。覺得經過這樣的傳輸自己就不是自己了，或是擔心傳輸出錯人就直接消失了。但是我覺得這種技術如果真的能實現並且很好的完善，達到非常小的出錯可能性，推廣併爲大衆接受只是時間問題。因爲它與現有的交通方式相比，優勢很明顯。而現有的交通方式會繼續存在，但其主要功能不再是交通，而是發展成類似旅遊和體驗的形式了。
參考資料
《計算機科學概論》第11版（人民郵電出版社）（第四章關於信息加密的介紹）
什麼是量子通信-知乎 http://www.zhihu.com/question/20919153
什麼是量子糾纏-知乎 http://www.zhihu.com/question/20322494
通俗的解釋量子物理-知乎 http://www.zhihu.com/question/22131485
量子糾纏爲什麼能傳遞密碼信息-知乎 http://www.zhihu.com/question/23610849
科學網《彌天大謊：實現量子隱形傳輸》 http://blog.sciencenet.cn/blog-212815-335606.html
維基百科詞條：凱撒密碼，量子密碼學，量子隱形傳態
百度百科詞條：RSA算法，量子，量子態，量子糾纏，量子傳輸，量子通信，量子隱形傳態
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