量子通信时延

我明白了，你其实想问的是“量子通信能不能快于光速”。答案可能会让你失望:量子通信不能超过光速。

为什么会这样呢？我有一个简单的回答和一个详细的回答。

简而言之就是:狭义相对论已经明确提出，信息不能比光传播得更快(有些东西可以比光传播得更快，但不传递信息)。量子通信完全是基于已知的物理原理设计的，每一步都在量子力学和狭义相对论的预测范围内，怎么可能违反狭义相对论？你应该把量子通信理解为现有理论框架内的创造性工程工作，比如长城、赵州桥、高速铁路，而不是颠覆现有理论框架的科学革命。

详细回答如下。

量子力学是描述微观世界物理规律的基础理论。它回答了很多基本问题，比如:为什么原子可以稳定存在，绕原子核运动的电子不会落在原子核上？原子为什么会结合成分子？为什么有的物质导电，有的不导电，有的是半导体，有的是超导体？从晶体管到激光器，现代社会的每一项科技成果都离不开量子力学。

信息是量子力学和信息科学相结合产生的交叉学科。其目的是利用量子力学实现经典信息科学无法实现的功能，比如永远无法破解的秘密方法(专业名称是量子密码术或量子保密通信或量子密钥分发)，科幻电影中的隐形传态(没错，原理上可以实现隐形传态，专业名称是量子隐形传态)。

《星际迷航》中的心灵运输

正如经典信息科学包括通信和计算两个领域一样，量子信息也可以分为量子通信和量子计算两个领域。

量子通信的内容包括量子密钥分发(也称“量子密码术”或“量子安全通信”)、量子隐形传态(即隐形传态)和“超保密编码”等等。在严格的科学意义上，量子密钥分发不等于量子通信，而是量子通信的一部分。而量子密钥分发发展最快，已经接近产业化。比如国内一些金融机构正在尝试量子通信仪器传输核心数据。但是量子隐形传态和整个量子计算领域还处于实验室演示阶段，离实用化还很远。所以媒体报道的量子通信，大多数情况下指的是量子密钥分发。

我来解释一下什么是量子密钥分发和量子隐形传态，为什么不能超光速传播。

我们先来看量子密钥分发。要理解量子密钥分发，首先要明白什么是“密钥”。其实这个词很好理解。它是日常用语中的“密码本”，是《红灯记》《潜伏》等间谍电影中无数情报人员冒着生命危险寻找的。从形式上讲，密钥是明文到密文转换的参数。

红灯故事

如果发送方(以下简称A)和接收方(以下简称B)都有一个密钥，并且该密钥满足三个条件(第一，该密钥是一个随机串；第二，密钥的长度与明文相同，甚至更长；第三，每次传输密文都要更换密钥，即“一次一密”)，那么双方的通信就是“绝对安全”的。在这里，“绝对安全”是一个数学术语，意思是即使敌人截获了密文，也无法破译明文，最多只能猜测。

听起来好像机密通信的问题已经解决了？其实不是，真正的难点在于如何把密钥从一方传到另一方。在现实生活中，需要第三方信使来传递，信使可能被抓住(如《红灯记》中的李昱和)或叛逃(如《红岩》中的甫志高)，这将带来很大的麻烦。最好不要通过messenger，AB双方直接见面共享密钥。但如果双方能轻松见面，那对应又有什么意义呢？！

量子保密通信就是为了解决这个问题而提出的。实际上，它只做一件事:双方直接共享密钥，而不通过信使。

奇怪，没有信使怎么共享钥匙？关键是这里的钥匙不是预存的，一方想给另一方。初始状态下，密钥不存在！

量子密钥是在通信建立后，双方通过一系列运算生成的。利用量子力学的一些特性(“叠加原理”和“测量结果的随机性”)，双方可以同时在自己手中产生一串随机数，不用看对方的数据就可以确定对方的随机数序列和自己的一模一样。这个随机数序列被用作密钥。

量子密钥的生成过程也是分发过程，这就是为什么量子安全通信不需要信使。

双方都有了密钥之后，剩下的就和经典的通信一模一样了:A用密钥把明文编码成密文，然后用任何一种通信方式发送给B。“任何”的意思是“任何事情”:你可以使用电话、电报、电子邮件甚至普通邮件。量子安全通信的特殊之处在于双方可以直接共享密钥，不需要信使，仅此而已。这就是为什么它的技术名称是量子密钥分发。

现在我们可以理解，量子保密通信的过程分为两步:第一步是量子密钥分发，第二步是密文通信。第二步和常规通信完全一样，不会超过光速。在这种情况下，整个过程自然不会超过光速，无论第一步有多快。其实第一步是不会超过光速的，因为它的实际操作一般是发送和接收单个光子，速度就是光速，但是这个具体的过程我们这里就不说了。

我们来看看量子隐形传态。什么是量子隐形传态？这是1993年提出的一个方案，将粒子A的未知量子态传送到远处的另一个粒子B，使粒子B的状态变成粒子A的原始状态，经常出现在科幻电影中的隐形传态，把人传送到另一个地方，轰隆一声。原型是量子隐形传态。

请注意，隐形传态传送的是状态而不是粒子，A和B的空之间的位置没有变化，所以它并没有把A粒子传送到远处。比如a地有一辆车或一个人，不是把这辆车或这个人移到B地，而是把一堆已经在B地的汽车零件或原子组装成这辆车或这个人。

有人要问了:你不也是一样的两辆车吗？两个人？！哪个才是真正的自己？！在大谈道德问题之前，有一句话可以消除这个问题:不会有两个一模一样的人。大自然早就制定了计划来杜绝这种可能性。在隐形传态中，当粒子B获得粒子A的初始状态时，粒子A的状态必然会发生变化。任何时候都只能有一个粒子处于目标状态，所以只是状态的移动，而不是复制。如果一定要说复制，那也是一种破坏性的复制。这就像武侠小说里，前辈传技给主角，传技之后就没技了，而不是两个高手。在宏观世界复制一本书或者一个计算机文件很容易，但在量子力学中复制一个粒子的状态是不可能的。这是量子和经典的本质区别。

很多人听说量子力学中的状态变化是瞬间的，无论两个粒子相距多远，于是认为隐形传态可以把人轰的一声送到任意距离，超过光速，推翻相对论。可惜这种理解又错了。量子力学中的状态变化确实是瞬间的，但隐形传态方案中的一个步骤是从A向B传送一个重要的消息(可以理解为密码)，只有利用这个消息，B粒子的状态才能成为目标态。这些信息需要通过经典渠道(如电话、电子邮件)传递，速度不能超过光速，所以整个隐形传态的速度不能超过光速。

很多人认为瞬移就是先在A扫描一个物体或人的状态，然后在b组装一个一模一样的物体或人，不不不，先知道目标状态有什么意义？隐形传态就是在不知道粒子A状态的情况下，把粒子B变成这个状态！就像送快递一样。我不知道它是什么，但我保证它会准确无误地送到。

总结一下，量子隐形传态就是以不高于光速的速度将一个粒子的未知状态破坏性地传送到另一个粒子。例如，状态由颜色表示。粒子A一开始是红色的。通过隐形传态，我们让远处的粒子B变成红色，而粒子A同时变成绿色。但是我们不需要知道A本来是什么颜色。不管A是什么颜色，这种方法都可以保证B变成A原来的颜色，A的颜色同时发生变化。

结论:无论如何通过量子密钥分发或量子隐形传态传输信息，都不能超过光速。