翻译：望湖煮水 【仅供沟通讨论学习使用】
原文地址：https://www.technologyreview.com/2019/02/14/103409/what-is-quantum-communications/
来自：MIT Technology Review
阐释：什么是量子通信（二）
著：Martin Giles 2019年2月14日
此为量子技术解释系列的第二部分。其他两部分见量子计算机和后量子密码学。
几乎每个星期都会有新的超级黑客攻击的报告，这些攻击窃取暴露了大量敏感信息，从人们的信用卡信息和健康记录到公司宝贵的知识产权等。网络攻击造成的威胁正迫使政府、军队和企业寻求更安全的信息传输方式。
如今，敏感数据通常会被加密，然后连同解码信息所需的数字“钥匙”，通过光纤电缆和其他渠道发送。数据和钥匙以传统比特的形式发送，即用1和0代表的电或光脉冲流，这使它们易受攻击。聪明的黑客可以在传输过程中读取和复制数据，而不会留下任何痕迹。
量子通信利用量子物理的规律来保护数据。这些规律允许粒子——通常是沿光缆传输数据的光子——呈现叠加状态，这意味着它们可以同时表示1和0的多种组合。这些粒子被称为量子比特。
从网络安全的角度来看，量子比特的美妙处在于，如果黑客试图在传输过程中观测它们，它们的超脆弱量子状态就会“崩溃”为1或0。这意味着黑客不可能在不留下活动迹象的情况下干预量子比特。
一些公司利用这种特性创建了一种基于量子密钥分发（QKD）的传输高敏感数据的网络。至少在理论上，这些网络是超级安全的。
什么是量子密钥分发（QKD）？
QKD包括在网络上以传统比特形式发送加密数据，而解密信息的密钥使用量子比特以量子状态进行编码和传输。
现已开发出了多种方法或协议实现QKD。一个被广泛使用的BB84协议是这样运作的。假设两个人，爱丽丝和鲍勃。爱丽丝想把数据安全地发送给鲍勃。为此，她创建了一个量子比特形式的加密密钥，其偏振态表示密钥的各个比特值。
量子比特可以通过光纤电缆发送给鲍勃。通过比较部分量子比特状态的测量结果——称为“密钥筛选”的过程——爱丽丝和鲍勃可以确定他们持有相同的密钥。
当量子比特到达时，一些量子比特的脆弱量子态由于退相干将崩溃。为了对此进行确认，爱丽丝和鲍勃接下来要进行一个称为“密钥提取”的操作，该过程需要计算错误率是否足够高，以表明黑客试图截获密钥。
如果错误率是足够高的话，他们会丢弃可疑密钥并不断生成新的密钥，直到他们确信他们共享一个安全密钥。然后，爱丽丝可以用她的加密数据，并以经典比特的形式发送给鲍勃，鲍勃用他的密钥来解码信息。
我们已经开始看到更多的QKD网络涌现。最长的是中国于北京和上海之间长2032公里（1263英里）的连接线。银行和其他金融公司已使用其传输数据。美国，一家名为Quantum Xchange的新兴公司已签署协议，其可使用沿着东海岸运行500英里（805公里）的光纤电缆，创建QKD网络。最初的一段将连接曼哈顿和新泽西州，许多银行在此设有大型数据中心。
虽然QKD相对安全，但如果依靠量子中继器，它会更安全。
什么是量子中继器？
电缆中的材料会吸收光子，这意味着它们的传播距离通常不超过几十公里。在传统网络中，中继器沿电缆放置于不同地点，用来放大信号以补偿这一点。
QKD网络采用类似的解决方案，在不同的地点上创建“可信节点”。例如，北京到上海的网络就有32个。在这些中继站，量子密匙被解密为比特，然后在新的量子状态下重新加密，以到达下一个节点。但这意味着可信节点不可能被真正信任：破坏节点安全的黑客可以在不被发现的情况下复制比特，从而获得密匙，运营节点的公司或政府也可如此。
理想情况下，我们需要量子中继器，或安装有量子处理器的中继站，使加密密匙在被放大和长距离发送时能够保持量子形式。研究人员已经证明，原则上可以制造这种中继器，但他们尚未能够制造出可运行的原型。
QKD还有一个问题。底层数据仍以加密比特的形式在传统网络中传输。这意味着入侵网络防御系统的黑客可以在不被发现的情况下复制比特，然后使用功能强大的计算机试图破解用于加密比特的密匙。
最强加密已相当厉害，但其风险之大足以促使一些科研人员研究另一种方法，即量子隐形传态。（译者注：量子隐形传态又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传）
什么是量子隐形传态？
这听起来像科幻小说，但它是一种能完全以量子形式传输数据的可行方法。这种方法依赖于一种称为纠缠的量子现象。
量子隐形传态的工作原理是制造一对纠缠光子，然后将每对光子中的一个发送给数据发送方，另一个发送给接收方。当爱丽丝接收到她的纠缠光子时，她让它与一个保存着她想传送给鲍勃数据的“存储量子比特”相互作用。这种相互作用改变了她的光子的状态，因为它与鲍勃的光子相纠缠，这种相互作用也就会瞬间改变他（鲍勃）的光子状态。
从而，实际上将爱丽丝存储量子比特中的数据从她的光子“远距离传送”至鲍勃。下图更详细地阐述了这个过程：
量子隐形传态的工作原理：
图1. 爱丽丝和鲍勃接受一对纠缠的光子
图2. 爱丽丝接受的光子与包含有量子数据的量子比特相互作用，她同时观测被纠缠光子和这个量子比特的状态。此次观测改变鲍勃被纠缠光子的状态。
图3. 然而，鲍勃在收到观测结果之前无法判断他的光子发生了什么。爱丽丝将其以传统比特的形式，通过光纤电缆或其他途径发送给他。有了这些信息，鲍勃就可知道他的光子是如何变化的，并得到传送给他的量子数据。
美国、中国和欧洲的科研人员正在竞相创建能够传播纠缠光子的隐形传输网络。但是将其规模化是一项巨大的科学及工程挑战。存在很多障碍，包括找到可靠的方法来按需制造出大量的相互链接的光子，并在很长的距离内保持它们的纠缠性——量子中继器会使这容易些。
然而，这些挑战并没能阻止科研人员们未来实现量子互联网的梦想。
什么是量子互联网？
与传统的互联网一样，这将是一个遍布全球的网络。最大的区别在于其底层通信网络将是量子网络。
它将不会取代我们今天所知的互联网。猫咪照片、音乐视频和大量非敏感的商业信息仍将以传统比特的形式传播。但量子互联网将会吸引那些需要保护高价值数据安全的组织。这也可能是连接量子计算机之间信息流的理想方式，它们正逐渐地通过计算云实现。
中国是推进量子互联网的先锋。几年前，发射了一颗名为墨子的量子通信专用卫星，2017年该卫星协助在北京和维也纳之间举办了全球首次QKD安全视频会议。一个地面站已经将卫星连接到北京到上海的地面网络。中国计划发射更多的量子卫星，国内多个城市也在规划城市QKD网络。
一些科研人员警告，即使是全量子互联网最终也可能容易受到基于量子自身的新攻击。但面对困扰当今互联网的黑客攻击，企业、政府和军队将继续探索更安全的量子替代方案的可能。（完）
【水平有限，不足之处敬请斧正。】
