原文发在奇迹号上。
听说中国发射了一颗量子科学实验卫星（Quantum Experiments at Space Scale）。
Quantum Experiments at Space Scale
它的任务之一就是实验量子秘钥（Quantum key）。
要理解什么是量子秘钥，我们首先自己问自己：
什么是通信？
假设两个人，A和B，A对B说了一句话：
Help!
A对B说了一句话
这个就是通信。
如果我们考察这个过程的话，可分为三个单元：
- A发出信息，通过声带；
- B接受信息，通过耳膜；
- 信息通过声音传播，需要空气作为介质。
A传递给B的信息是有意义的，在这里是人的自然语言，B听到这个后，懂得并导致其后续行动。
如果我们只考察这里的信息，
Help!
我们应如何表示它？
纯粹物理的角度，我们可以把它表示为（不同频率）声音强度随时间的变化，但这个太琐碎了，很多细节我们并不需要。
适度抽象后，我们说这就是26个字母在时间轴上“由左到右”，“有方向地”展开。
简单说就是这样，我们可以管这个叫编码，常见的编码有：
- 二进制，0101这种；
- 16进制；
- 当然还有英文字母；
- 中文的汉语拼音，借用英文字母（精确讲应是拉丁字母）。
现在通信可被叙述为A向B发送一段有序的编码，比如：
Hi, ...
这段编码A、B看了都懂。于是A就能让B帮他做事情，比如A对B说：
把红色的旗子举起来。
但有时我们不希望别人知道这段信息，比如打仗的时候，敌人C可能会截获这段信息，从而知道A的意图，从而不利于A和B。
这个时候就需要加密了。
能否设想一个最简单的加密方案呢？
据说古代斯巴达人是这样来传递信息的，将军A和前线指挥官B各持一根木棍，这两根木棍是完全相同的，主要是“粗细”。
古代斯巴达人的加密方案
将军A拿出一定粗细的纸条（或者皮革条），以特定角度把纸条缠绕在木棍上，然后沿平行于木棍的方向写下命令：
Blah, blah...
然后再把纸条取下来展开，继续在纸条上写满字母，也许是这样的：
cxBaxhnlxhon...
现在这个纸条上的信息就是被“加密”过的了，将军A可以把纸条交给传令官C，由他送给前线指挥官B。
假如敌人截获了这个纸条，它是看不懂上面的信息的，除非……，知道加密的方案，及棍棒的粗细和缠绕纸条的倾斜角度。
拷问传令官C也没用，因为他没见过加密用的棍棒。
以上就是一个加密的方案，在这里我们需要的其实是两个数字，一个是棍棒的粗细，一个是纸条缠绕的角度，当然想想的话，我们会补充上第三个数字，即我们由第几位开始读。
这三个数字就是秘钥。
现在的问题是如何传送秘钥。
我们打个比喻：
我们想传送的信息就是一个密码箱，秘钥就是密码箱的钥匙，即密码。
一般来说密码箱的密码就是三个数字，比如：
798
密码箱比喻：密码不能让人知道
这个798有意义吗？
完全没有意义，因为它并不代表地名，如果你认为这是个地名的话，那恰恰是不能make sense的。
但完全没有意义，完全随机的三个数加上密码箱就能对应有意义的信息。
我们用无意义的密码打开了看不懂的密码箱，得到的是有意义的，能看懂的文件。
密码箱可以随便给所有人看，被敌人C截获也不怕，因为它没有密码。
所以现在的问题就变成，如何生成这个密码，使得只有A、B知道，而C不可能知道。
这就需要用到量子力学了
措辞的角度，
我小心翼翼地不说我们传送密码，
我喜欢说我们（A、B）生成了密码（所以这与狭义相对论并不矛盾）。
这个生成，可以比喻为“掷骰子”，骰子一掷，A和B就知道密码了，而且是相同的，然后A用这个密码去加密信息，而B用密码解密收到的信息。
被传递的信息是可以让全世界人知道的。
我们利用量子纠缠来掷骰子
我们想象两个硬币，一个向上、一个向下，一个在A手边，一个在B手边。
设想这两个硬币通过一根刚性的杆子焊死，
设想它们围绕刚性的杆子飞速地旋转起来。
量子纠缠：“刚性杆”比喻
我们管这个就叫量子纠缠。
杆子转的飞快，A没法说他手边这个硬币是向上还是向下的，除非他
“啪”
地拍下去，然后看一眼，
A有一半几率得到硬币向上，另一半几率向下。
同时假如B立刻在远处观察他手边的硬币的话，所谓观察就是他
“啪”
地一下也拍下去，他看到另一硬币的取向一定和A相反，A、B并不需要通信，通过这个“量子机制”就能知道对方手上硬币的取向。
但可惜硬币可以有很多取向，我们的刚性机制只能保证两个硬币取向恰好相反。
简化叙述，我们会说取向可以是“上、下”，“左、右”或“前、后”的。
我们可以沿“上、下”方向拍下去，也可以“左、右”或“前、后”。
我们约定A每次拍下去的方向是任意的，B在远方也任意地拍他手边的硬币。
假设第一次，A是上下拍，得到硬币取向是一半上，一半下。不妨假设是“上”。
但B和A是独立随意地拍硬币，假设B是按“左、右”的取向“拍”。此时会如何呢？
A端向上，因为量子机制，B端硬币取向应该是向下的，奈何B是“左、右”拍，我们只能说有一半可能是左，一半可能是右。
不妨假设B端拍下去的结果是“左”。
类似地我们可以得到一系列结果，并记录如下：
| 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 |
...
这个记录可以很长，在做完如上操作后，A、B在互相告诉对方拍下硬币的取向。
就是A说
“上下”、“上下”、“左右”……
B说
“左右”、“上下”、“上下”……
在说这些信息的时候，拍硬币的动作已经完成了，所以不怕C偷听到。
A、B知道这个信息很有用，他们可以把不匹配的测量都划掉（对应这里，就是我标“No”的那些），剩下的就是“秘钥”了，A、B并不需要直接告诉对方秘钥是什么，就已经知道了。
假如C硬要偷听会如何呢？
假设C成功地偷听，所谓成功偷听就是C在B之前就偷偷地捉到了硬币，并抢先拍了下去。
但C并不知道A、B是延什么方向拍硬币的，同时A、B都是随机地按不同方向拍硬币。
C只好也随机地拍下去。
可能拍下去的取向和B的选择相同，也可能不相同。几率都不是0
考虑ABC可以有不同拍硬币的取向，我们可以选取以下两种情况进行讨论：
第一种，ABC拍硬币的方向都相同，A上导致C下，C得到下后，再把它传给B，B将也得到下。
| A | C | B |
|---|---|---|
| 上 | 下 | 下 |
此时B无法判断是否被偷听。
第二种，C拍下去的方向和AB拍下去的方向不同，同时AB拍下去的方向相同：
| A | C | B |
|---|---|---|
| 上 | 右 | 上 |
A得到上，假如不被C偷听的话，B一定是下。但C偷听了，并恰好选取的是左右方向，假设得到右，B是对“右向”硬币沿上下方向拍下去，有一半几率上，一半几率下，不妨假设正好是上（无人偷听应该是下）。
如果A、B互相交流一下他们的硬币取向簿记结果的话，他们就会发现：
被人偷听了！
这个过程，可以称之为校验。对校验的部分，不仅拍硬币的取向A、B需要互相交流，拍硬币的结果（即取向簿记）也需要互相告知对方。
可以想象这是一串数字，只要这串数字够长，将能发现是否被偷听。
假如校验后，发现A上一定对应B下，A左一定对应B右，A前一定对应B后，则说明没有人偷听。
我们可以这么构造生成秘钥的过程，在最终簿记结果中随机选取“校验”和“真实”的部分。
校验部分，发送“拍下硬币方向+硬币取向”结果给对方，真实部分只发送拍下去的方向，不发送硬币取向。假使校验部分百分百相合的话，说明无人偷听，秘钥有效。但如果并非百分百相合，而是特定百分比的话，则说明有人偷听，秘钥无效，需要重新生成。
参考链接
-
Sheldon: 量子通信卫星到底是什么鬼？
-
PhysicsWorld: China launches world's first quantum science satellite
什么时候咱们也众筹颗纳卫星吧~
（这篇文章挺有意思，它告诉我们老外在用纳卫星做和中国科学家类似的事儿，当然花的钱会少很多。）
网友评论