下面要來一個(gè)跨越及從這個(gè)實(shí)驗(yàn)怎么進(jìn)入到量子密鑰通信。量子力學(xué)里有一個(gè)最基本的海森堡的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。現(xiàn)在稍微用一個(gè)非常簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)來描述一下測(cè)不準(zhǔn)的具體含義是什么。跟經(jīng)典力學(xué)一樣，在量子力學(xué)當(dāng)中有兩個(gè)觀測(cè)量，一個(gè)A，一個(gè)B。對(duì)于經(jīng)典力學(xué)最簡(jiǎn)單的，可以說一個(gè)是坐標(biāo)，一個(gè)是動(dòng)量。A力學(xué)量的平均值是＜A＞，觀測(cè)值肯定跟平均值上下是有波動(dòng)的。用A表示平均值的偏差，同樣用B表示觀測(cè)值與平均值的偏差。一般叫均方值。就是A乘B減掉B乘A，一定等于零，在經(jīng)典力學(xué)的范疇里是對(duì)的，在量子力學(xué)的范疇是不對(duì)，兩個(gè)量不能隨便交換次序。A乘B減掉B乘A是什么意思呢？量平均值的絕對(duì)值的平方，這就是說海森堡的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系可以用這樣的數(shù)據(jù)，A物理量的均方乘上B物理量的均方，一定要大于四分之一的對(duì)應(yīng)括號(hào)的平方。簡(jiǎn)單從不等式來看，只要是A乘B減掉B乘A不等于零的話，就是方程的右面不等于零，我們就一定知道＜A、B＞的平方，這兩個(gè)物理量不能同時(shí)被測(cè)準(zhǔn)，這是什么含義呢？如果B能準(zhǔn)時(shí)測(cè)準(zhǔn)，B就等于零了，除過去，在分母上等于零，偏差就要無窮大，反過來也是這樣，A如果能測(cè)準(zhǔn)，B的偏差就要無窮大。

　　200年前Young雙縫電子衍射，怎么能夠做一個(gè)保密的通信？既然是通信，發(fā)射方是小女孩兒，叫Alice，接收方是Bob，可能是她的男朋友，Alice用電子槍發(fā)射電子，通過1、2兩個(gè)雙縫，通過來以后Bob弄了一塊底板，看底板上接收到什么東西。假如把狹縫1堵住，電子只能通過狹縫2，在底板上的強(qiáng)度分布一定是這樣的情況。反過來一樣，堵上2，讓電子通過1，這時(shí)的強(qiáng)度分布就是這樣的。很容易想象到，這兩個(gè)累加起來一定就是這樣的。但事實(shí)上通過狹縫1、2的電子，要互相發(fā)射干涉，產(chǎn)生了一個(gè)干涉條。Bob只要一看我得到了一個(gè)干涉條紋，是波動(dòng)性的結(jié)果，就保證了中間沒有任何人竊聽。兩個(gè)項(xiàng)目同時(shí)開的時(shí)候，強(qiáng)度P12實(shí)際上等于通過狹縫1的狀態(tài)加上通過狹縫2的狀態(tài)的絕對(duì)值的平方�，F(xiàn)在有一個(gè)黑客Eve躲在這兒想進(jìn)行測(cè)量，要看看Alice發(fā)出來的電子是不是從狹縫2來的，情況馬上發(fā)生變化，這是量子力學(xué)里講的狀態(tài)，如果一旦有人測(cè)量它，這個(gè)狀態(tài)就要進(jìn)行探索。這個(gè)分布證明了粒子性。

　　從雙重電子衍射可以用來做保密通信，Bob只要看我接收到的圖形，如果是正當(dāng)?shù)难苌鋱D形還是這樣的圖形，如果出現(xiàn)這樣的圖形，就知道一定有黑客在竊聽。當(dāng)然還不能真正用到量子通信里。

　　真正的量子通信是怎么做的？愛因斯坦發(fā)現(xiàn)外光電效應(yīng)，用的光包含了許多許多光子，但是在量子通信里我們用單個(gè)光子。量子通信有一些名詞，一種叫量子密鑰通信，還有一種叫量子隱形傳態(tài)，這里的量子力學(xué)太多了。

　　要講量子密鑰通信，一定要看一下經(jīng)典的密鑰通信是怎么做的。保密通信對(duì)于國(guó)家的安全是非常重要的，一般的做法，同樣有一個(gè)發(fā)射方Alice，有一個(gè)接收方Bob。通信總是有一個(gè)明文，人能看得懂的文。在發(fā)送以前有一把鑰匙，叫做密鑰。通過的一定方式加密了，把它送到公共的通信訊道上去。Bob接收到了加密以后的密文，利用同樣的密鑰解密，這時(shí)知道Alice發(fā)給他什么樣的秘密信息。但是這里有個(gè)條件，Alice必須告訴Bob，通過非常秘密的信道說我使用的密鑰是什么，否則Bob沒法解密。當(dāng)然，在公共訊道上有黑客，Eve照樣可以竊聽。

　　形象地講，Alice本來想把照片發(fā)給Bob，加密以后照片變得什么都沒有了，Bob用密鑰解密，又復(fù)原了圖片。

　　無論是第一次世界大戰(zhàn)、第二界世界大戰(zhàn)和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)，保密通信是絕對(duì)重要的。經(jīng)典的密鑰通信存在什么樣的安全隱患？發(fā)展到現(xiàn)在，有一種一次性使用的，像寫信的便箋式的密文，被認(rèn)為是安全的，但是要使用的密鑰，密鑰實(shí)際上是一組無規(guī)則的1010數(shù)字，長(zhǎng)度要跟明文的長(zhǎng)度是一樣長(zhǎng)的，而且這個(gè)密鑰一定要通過秘密信道傳送，通過這個(gè)信道傳送的費(fèi)用高的非常不現(xiàn)實(shí)，比如采取非常保密的郵差，危險(xiǎn)性很大，半路被人劫持了以后很麻煩。這時(shí)有人說太貴了，我想把密鑰重復(fù)使用第二次，把密鑰的長(zhǎng)度縮減一點(diǎn)，這時(shí)就危險(xiǎn)了，密鑰通信就不安全了。計(jì)算機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在，竊聽者Eve竊取了加密的東西以后，可以利用計(jì)算機(jī)解密，這就是經(jīng)典的密鑰通信的安全隱患。而且經(jīng)典的密鑰通信有一個(gè)邏輯上的困惑，我在跟Alice和Bob準(zhǔn)備進(jìn)行密鑰通信，但必須先另外有一個(gè)通道進(jìn)行密鑰通信，這從道理上有一個(gè)雞和蛋怎么解的問題。

　　基于測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的量子通信�，F(xiàn)代的數(shù)字通信都是用1、0代表最基本的數(shù)字位，一般叫做比特。在計(jì)算機(jī)里最常用的是高的電瓶代表1，0電瓶代表0，或者在CCD里有很多電荷代表1，沒有電荷就代表0。一個(gè)數(shù)字0、1，只要有兩種可區(qū)別的狀態(tài)，就可以表示。對(duì)單個(gè)光子來講，運(yùn)用電場(chǎng)的偏振方向進(jìn)行。光是電磁場(chǎng)，Kz是光的傳播方向。跟傳播方向的垂直平面有高頻電場(chǎng)，電磁量的方向可以沿著X方向，也可以沿著Y方向。同時(shí)也可以說把沿X方向的作為0，如果偏振方向變成了Y方向，就把它變成1。這種配置一般叫做直角的偏振模式的配置。如果單用這個(gè)模式，不是很安全。實(shí)際上我們還可以把直角的偏振配置轉(zhuǎn)移45度，變成了對(duì)角的偏振模式，也就是說可以把沿45度的變成0，而沿135度的變成1，光子在直角模式里，垂直方向代表0，水平方向代表1，在對(duì)角方向上，45度的代表0，135度的代表1。

　　量子密鑰通信，同樣有一個(gè)發(fā)射方Alice，接收方Bob，還有竊聽者Eve。Alice用了一個(gè)激光源，發(fā)出單個(gè)的光子，沒有一個(gè)特定的偏振方向。Alice用了四種偏振片，偏振選擇，可以用單個(gè)光子通過以后，偏振方向，這是形象的，變成水平的，這就變成垂直的，這就變成45度，這就變成135度。量子密鑰通信最重要的是Alice怎么把密鑰通信告訴Bob，這個(gè)過程不能泄密，只要完成了這個(gè)過程，其它就沒什么關(guān)系了。

　　第一步，Alice隨意地選擇直角或?qū)�角模方式發(fā)一串光子，要把它記下來。比如按照時(shí)間順序，這是水平的，這是135度的，依此類推，隨便自己來轉(zhuǎn)，這是第一步做的事情。

　　第二步，接收方Bob的偏振模式，一個(gè)是垂直的，一個(gè)是對(duì)角的，隨機(jī)的選這兩種模式的一種，測(cè)量他所接收到的光子，隨便選，肯定有它的測(cè)量結(jié)果。這時(shí)不要忘還有第三者竊聽，對(duì)竊聽者來講，因?yàn)槊恳粋�(gè)光脈沖只有一個(gè)光子，也是可能用垂直模式或?qū)�接模式的一種，把當(dāng)中的一個(gè)光子截下來進(jìn)行測(cè)量，但是如果選擇的模式選錯(cuò)了，雖然測(cè)量了，按照測(cè)量結(jié)果又把光子給Bob發(fā)回去，這個(gè)時(shí)候一定要出錯(cuò)。Eve也做了竊聽。等到Bob把所有的光子都接收到了以后，通過電話告訴Alice，我選擇的偏振模式的序列是垂直、垂直、垂直、垂直、對(duì)角、垂直、垂直。Bob告訴了Alice，Alice在通話里告訴他，對(duì)不起，哪些模式的選擇是正確的，哪些選擇是錯(cuò)誤的。Bob只保留正確的偏振模式的序列，保留下來實(shí)際上代表的是1010這組數(shù)字，作為A跟B共同使用的密鑰。即使Eve竊聽了一個(gè)光子，如果用錯(cuò)了，Bob得到的結(jié)果也是錯(cuò)的，Alice告訴他這個(gè)數(shù)據(jù)是錯(cuò)的，就不用了。因此，這個(gè)密鑰從Alice到Bob傳遞過程當(dāng)中不怕竊聽，竊聽的去掉了，不要了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室里用激光來做的，目前能夠在光纖里，特別是在瑞士，能進(jìn)行大概70公里的密鑰通信。最后選的密鑰，一桿一桿代表的是錯(cuò)的，不要了，留下來的是0、0、1、1，序列很長(zhǎng)，完成了密鑰通信。量子力學(xué)現(xiàn)在得到非常重要的應(yīng)用，對(duì)量子密鑰通信下了很大的力量去投入。要保證量子密鑰通信是安全的，表示每一個(gè)比特?cái)?shù)字的每個(gè)光脈沖，是數(shù)字通信，所以光源是多個(gè)光脈沖，每一個(gè)光脈沖里只能包含一個(gè)光子。設(shè)想如果某一個(gè)光脈沖包含了兩個(gè)光子，事情就壞了，為什么呢？Eve可以竊取當(dāng)中的一個(gè)光子，另外一個(gè)光子照樣給Bob，所以Bob并沒有知道被別人侵用了，為了保證量子密鑰通信的安全性，必須保證每一個(gè)光脈沖里面只有一個(gè)光子，這是非常了不得的�，F(xiàn)在這些光成千上萬都不是很多光子，現(xiàn)在只能是一個(gè)光子，因?yàn)橐�進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，一定要有時(shí)鐘，一定要在預(yù)定的時(shí)刻很高的速度發(fā)射一個(gè)光子，有沒有光源就非常重要了。

　　下面講一講量子通信里的另外一種，量子隱形。兩個(gè)光子要想辦法糾纏在一起，糾纏的意思就是難分難舍�，F(xiàn)在有兩個(gè)光子，一個(gè)A光子可以有兩種狀態(tài)，一個(gè)極化方向是向上的，一個(gè)極化方向是向下的。同樣B光子也有向上的極化方向、向下的極化方向。在數(shù)學(xué)上，A的向上乘上B的向下，減掉A的向下，乘上B的向上，乘上根號(hào)2。這個(gè)狀態(tài)非常特別，一般叫做兩個(gè)光子糾纏不清的狀態(tài)。假如我知道A光子的偏振方向是向上的，因?yàn)锳光子只有兩種狀態(tài)，A光子向下的狀態(tài)一定是等于0的，乘下來B光子的偏振方向一定是向下的。反過來也是一樣，如果知道A光子是向下的，一定知道B光子是向上的。而這種糾纏關(guān)系，A光子跟B光子可以離的很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。舉一個(gè)例子，把A光子放在地球上，B光子放在人造衛(wèi)星上，A光子極化是向上的，不用跑到人造衛(wèi)星上，一定知道B光子是向下的。反過來也是，大家不要輕視這個(gè)問題，這是從量子力學(xué)建立以來，爭(zhēng)論最大的一個(gè)問題，量子力學(xué)到底是局域的還是非局域的。所謂局域的，總是在非常有限的空間里才能夠起作用，相當(dāng)于超距離的關(guān)聯(lián)，而且這個(gè)糾纏還可以另外有第三個(gè)光子，極化狀態(tài)我不知道，但是沒關(guān)系，通過一定的操作可以把第三個(gè)光子狀態(tài)從地球傳遞到人造衛(wèi)星上，叫所謂的隱形狀態(tài)，像科幻小說里一個(gè)地球人原來在地球上，突然不需要時(shí)間跨越這么大的空間跑到衛(wèi)星上去。

　　糾纏的光子怎么產(chǎn)生？現(xiàn)在有一些光學(xué)晶體，一般我們叫做非線性的光學(xué)晶體，我們國(guó)家在世界上做的非常好，是處在領(lǐng)先地位的，有一個(gè)很怪的名字，叫BBO。利用光，叫做泵浦光，頻率是ΩP，把非線性晶體里的發(fā)光中心從低能性繞到高能性，這個(gè)電子在往回返的時(shí)候要發(fā)出兩個(gè)光子，一個(gè)頻率叫做信號(hào)光子，一個(gè)是閑置光子，當(dāng)然泵浦光還存在。發(fā)出的兩個(gè)光子，要滿足能量守恒，Ep等于Es加上Ei。第二是動(dòng)量守恒，Kp等于Ks加上Ki。在實(shí)驗(yàn)上是BBO晶體，有一個(gè)晶軸，泵浦光沿著這個(gè)方向，由于非線性晶體穿梁下轉(zhuǎn)換，閑置光，在兩個(gè)交叉的地方形成了糾纏光子對(duì)。這個(gè)圖在奧地利研究所拍攝的，這兩個(gè)光子具備我剛才所講的性質(zhì)。

　　通信里要不只用一個(gè)光子，要不就用一個(gè)就的光子，有一個(gè)問題，如何探測(cè)單個(gè)光子？如何只發(fā)射單個(gè)光子？這不是簡(jiǎn)單的問題。半導(dǎo)體吸收了一個(gè)光子以后，最多產(chǎn)生一個(gè)電子。一個(gè)電子的鄭和是1.6升的10的負(fù)19次方。如果流出探測(cè)器，非�？欤�已經(jīng)用了10的負(fù)9次方秒，所產(chǎn)生的流量則為1.6X10的負(fù)50次方安培。要探測(cè)單個(gè)光子產(chǎn)生的光電流是非常不容易的。半導(dǎo)體里有一些辦法，就是會(huì)放大的光電探測(cè)器。吸收一個(gè)光子，可以從兩邊的電極流出一個(gè)電子，但是如果做了一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的探測(cè)器，在這個(gè)地方有很強(qiáng)的電場(chǎng)，光產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)當(dāng)中要加速得到能量，能量就變得很高，能量創(chuàng)建原子，一個(gè)創(chuàng)出來三個(gè)，三個(gè)再創(chuàng)出六個(gè)，這就是倍增的效應(yīng)，實(shí)際上只吸收了一個(gè)光子，創(chuàng)出來六個(gè)光子。用本身會(huì)放大的光電探測(cè)器，才能夠有可能探測(cè)單個(gè)光子產(chǎn)生的電流。最近我們做的是用完全不同的新原理做的，也是用放大的光探測(cè)器。

　　相對(duì)來講，探測(cè)單個(gè)光子可能還是比較容易的，但是怎么能保證光源在特定的時(shí)候只發(fā)射一個(gè)光子？這個(gè)時(shí)候的問題就比較難了。光學(xué)的諧振腔，用兩個(gè)反射鏡，稍微有點(diǎn)透射，一個(gè)激光在反射鏡里來回走的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生光的共振現(xiàn)象，只能選擇一定頻率、一定模式的光，叫做光學(xué)的諧振腔，不光是一個(gè)方向，是三維的諧振腔，存在的光的電磁場(chǎng)只有一個(gè)特定的頻率，一個(gè)特定的模式。黃的里面放了單個(gè)原子，不再是人造原子，叫做量子。最基本的有一個(gè)低能性，就有一個(gè)高能性。當(dāng)電子從低能極往高能極跳的時(shí)候就會(huì)放出一個(gè)光子，有一個(gè)特定的頻率。只有當(dāng)放出的光跟諧振腔的光一模一樣，頻率一樣，模式一樣，它才能夠在光斜槍里存在，利用這個(gè)可以走向單光子的發(fā)射。不到一微米，有一個(gè)人造原子，希望在光諧腔里只有一個(gè)原子。

　　怎么檢測(cè)每個(gè)光脈沖只有單個(gè)光子？利用單個(gè)原子發(fā)光的反聚集的效應(yīng)，如果光只有一個(gè)原子，受極以后，電子從低能極往高能極跳的時(shí)候，一定的時(shí)候只能發(fā)射一個(gè)光子，不可能發(fā)射兩個(gè)光子，這就是所謂的反聚集的效應(yīng)。把兩個(gè)探測(cè)器放在這兒，探測(cè)結(jié)果到相關(guān)器里合成一下，這兩個(gè)探測(cè)器設(shè)法用快門控制，兩個(gè)快門打開的時(shí)間可以延遲，可以調(diào)解，有可能這個(gè)快門先打開，過了一個(gè)Detector提示器的時(shí)間時(shí)候可以打開。如果光只有單個(gè)原子的話，當(dāng)兩個(gè)探測(cè)器快門打開的延遲時(shí)間Detector等于0，同時(shí)打開，兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)收到光子的機(jī)率應(yīng)該等于0，因?yàn)樗�只可能一個(gè)光子要不到這兒，要不到那兒，不可能兩個(gè)同時(shí)探測(cè)到。

　　將來量子通信的光源，普通電燈泡發(fā)出來的光，在一個(gè)時(shí)間圖上看，一個(gè)個(gè)光脈沖，在時(shí)間軸上總是擠在某一個(gè)時(shí)間段。從激光發(fā)出來的光脈沖，光子能是雜亂的。人造原子發(fā)出來的反聚集的光，靠的很近的兩個(gè)光子很少。將來用在量子通信里，光這樣還不夠，一定產(chǎn)生規(guī)則的時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘是用光脈沖表示的，就是按照等間距做的，這個(gè)還要做非常艱巨的努力。

　　單個(gè)光子可以在量子通信里用，還要把光子引入到計(jì)算機(jī)里去。計(jì)算機(jī)的速度越來越快，最新的CPU吞吐指令的速率可以達(dá)到3.6GHz，但是很遺憾的是連接CPU跟其他元器件，比如存儲(chǔ)器等，主板總線的傳輸速率超不過1GHz。計(jì)算機(jī)核心的大腦CPU，有75％的時(shí)間是閑置著的，一直在等待被阻塞在總線中的指令與數(shù)據(jù)。隨著今后的CPU越來越先進(jìn)，這種差距就會(huì)越來越大，怎么辦？要解決一個(gè)問題，在計(jì)算機(jī)里有很多芯片，有CPU，有組成，芯片跟芯片之間能不能實(shí)現(xiàn)光子通信？這就是另外的題目。

　　在芯片里要實(shí)現(xiàn)光子通信，目前的芯片都是用硅做的，因?yàn)楣璺浅Ａ畠r(jià)，因此，要把光引進(jìn)到芯片里，一定要跟硅是相兼容的。但非常遺憾的是硅這種半導(dǎo)體材料，發(fā)光效率是非常糟糕的，這是由它的性質(zhì)所決定的。但是最近有一些變化，非常近的消息，2004年10月份，美國(guó)加州洛杉磯分校做出了硅的聚光源。

　　還有一種辦法，從某個(gè)地方發(fā)射的光源，沿著光纖把它分開傳過去，跟它相間的紅的，當(dāng)中有一個(gè)光子環(huán)。從光纖傳過來的光，波長(zhǎng)不是很干凈，包含了很多波長(zhǎng)。這個(gè)光子環(huán)實(shí)際上是光學(xué)的諧振腔。如果是反射鏡，光可以產(chǎn)生共振的狀況。光繞一圈回到原點(diǎn)，跟原來的相位只是差0或者2兀的N倍，就是互相增強(qiáng)的，就會(huì)起到增強(qiáng)的作用，根據(jù)需要，在紅顏色里選擇不同頻率的光。

　　有了選擇頻率的光還不行，光的波導(dǎo)，有兩個(gè)分差，再合起來。這是銅線，既然計(jì)算機(jī)里有電數(shù)字信號(hào)，又有光，怎么把電的數(shù)字信號(hào)調(diào)制到光上去？這實(shí)際上是簡(jiǎn)單的電容效應(yīng)，有總電容，有C1、C2。當(dāng)銅線里傳的是1010，就是定位高低變化的信號(hào)以后，根據(jù)電容感應(yīng)的現(xiàn)象，一定在這個(gè)結(jié)板上會(huì)產(chǎn)生同樣的1010電壓的起伏，這個(gè)電壓起伏會(huì)改變波導(dǎo)的自設(shè)系數(shù)，會(huì)改變光沿著它傳播的相位。把銅線里傳播的數(shù)字信號(hào)調(diào)制到光上去了。

　　計(jì)算機(jī)的主板上，CPU，既有光的通道，又有電的通道，互聯(lián)怎么辦？這些都是用聚合體，外表涂了銅，凝聚電線上下傳遞。光的波導(dǎo)，相當(dāng)于光纖，把光傳輸過去。計(jì)算機(jī)現(xiàn)在還不能講光子計(jì)算機(jī)，但是可以實(shí)現(xiàn)光纖互聯(lián)，甚至采用光網(wǎng)卡。主板、CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器、光盤，可以用光來連接。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，計(jì)算機(jī)將來的速度就會(huì)提的很高。