下面要來一個跨越及從這個實驗怎么進入到量子密鑰通信。量子力學里有一個最基本的海森堡的測不準關系。現(xiàn)在稍微用一個非常簡單的數(shù)學來描述一下測不準的具體含義是什么。跟經(jīng)典力學一樣，在量子力學當中有兩個觀測量，一個A，一個B。對于經(jīng)典力學最簡單的，可以說一個是坐標，一個是動量。A力學量的平均值是＜A＞，觀測值肯定跟平均值上下是有波動的。用A表示平均值的偏差，同樣用B表示觀測值與平均值的偏差。一般叫均方值。就是A乘B減掉B乘A，一定等于零，在經(jīng)典力學的范疇里是對的，在量子力學的范疇是不對，兩個量不能隨便交換次序。A乘B減掉B乘A是什么意思呢？量平均值的絕對值的平方，這就是說海森堡的測不準關系可以用這樣的數(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應括號的平方。簡單從不等式來看，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，這兩個物理量不能同時被測準，這是什么含義呢？如果B能準時測準，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如果能測準，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，這時的強度分布就是這樣的。很容易想象到，這兩個累加起來一定就是這樣的。但事實上通過狹縫1、2的電子，要互相發(fā)射干涉，產(chǎn)生了一個干涉條。Bob只要一看我得到了一個干涉條紋，是波動性的結果，就保證了中間沒有任何人竊聽。兩個項目同時開的時候，強度P12實際上等于通過狹縫1的狀態(tài)加上通過狹縫2的狀態(tài)的絕對值的平方?，F(xiàn)在有一個黑客Eve躲在這兒想進行測量，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，這是量子力學里講的狀態(tài)，如果一旦有人測量它，這個狀態(tài)就要進行探索。這個分布證明了粒子性。
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?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，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。保密通信對于國家的安全是非常重要的，一般的做法，同樣有一個發(fā)射方Alice，有一個接收方Bob。通信總是有一個明文，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，這時知道Alice發(fā)給他什么樣的秘密信息。但是這里有個條件，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，保密通信是絕對重要的。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，被認為是安全的，但是要使用的密鑰，密鑰實際上是一組無規(guī)則的1010數(shù)字，長度要跟明文的長度是一樣長的，而且這個密鑰一定要通過秘密信道傳送，通過這個信道傳送的費用高的非常不現(xiàn)實，比如采取非常保密的郵差，危險性很大，半路被人劫持了以后很麻煩。這時有人說太貴了，我想把密鑰重復使用第二次，把密鑰的長度縮減一點，這時就危險了，密鑰通信就不安全了。計算機發(fā)展到現(xiàn)在，竊聽者Eve竊取了加密的東西以后，可以利用計算機解密，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邏輯上的困惑，我在跟Alice和Bob準備進行密鑰通信，但必須先另外有一個通道進行密鑰通信，這從道理上有一個雞和蛋怎么解的問題。
基于測不準關系的量子通信?，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。在計算機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。一個數(shù)字0、1，只要有兩種可區(qū)別的狀態(tài)，就可以表示。對單個光子來講，運用電場的偏振方向進行。光是電磁場，Kz是光的傳播方向。跟傳播方向的垂直平面有高頻電場，電磁量的方向可以沿著X方向，也可以沿著Y方向。同時也可以說把沿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。如果單用這個模式，不是很安全。實際上我們還可以把直角的偏振配置轉移45度，變成了對角的偏振模式，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，同樣有一個發(fā)射方Alice，接收方Bob，還有竊聽者Eve。Alice用了一個激光源，發(fā)出單個的光子，沒有一個特定的偏振方向。Alice用了四種偏振片，偏振選擇，可以用單個光子通過以后，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，這個過程不能泄密，只要完成了這個過程，其它就沒什么關系了。
第一步，Alice隨意地選擇直角或對角模方式發(fā)一串光子，要把它記下來。比如按照時間順序，這是水平的，這是135度的，依此類推，隨便自己來轉，這是第一步做的事情。
第二步，接收方Bob的偏振模式，一個是垂直的，一個是對角的，隨機的選這兩種模式的一種，測量他所接收到的光子，隨便選，肯定有它的測量結果。這時不要忘還有第三者竊聽，對竊聽者來講，因為每一個光脈沖只有一個光子，也是可能用垂直模式或對接模式的一種，把當中的一個光子截下來進行測量，但是如果選擇的模式選錯了，雖然測量了，按照測量結果又把光子給Bob發(fā)回去，這個時候一定要出錯。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、對角、垂直、垂直。Bob告訴了Alice，Alice在通話里告訴他，對不起，哪些模式的選擇是正確的，哪些選擇是錯誤的。Bob只保留正確的偏振模式的序列，保留下來實際上代表的是1010這組數(shù)字，作為A跟B共同使用的密鑰。即使Eve竊聽了一個光子，如果用錯了，Bob得到的結果也是錯的，Alice告訴他這個數(shù)據(jù)是錯的，就不用了。因此，這個密鑰從Alice到Bob傳遞過程當中不怕竊聽，竊聽的去掉了，不要了。這個實驗在實驗室里用激光來做的，目前能夠在光纖里，特別是在瑞士，能進行大概70公里的密鑰通信。最后選的密鑰，一桿一桿代表的是錯的，不要了，留下來的是0、0、1、1，序列很長，完成了密鑰通信。量子力學現(xiàn)在得到非常重要的應用，對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，表示每一個比特數(shù)字的每個光脈沖，是數(shù)字通信，所以光源是多個光脈沖，每一個光脈沖里只能包含一個光子。設想如果某一個光脈沖包含了兩個光子，事情就壞了，為什么呢？Eve可以竊取當中的一個光子，另外一個光子照樣給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，必須保證每一個光脈沖里面只有一個光子，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)在只能是一個光子，因為要進行數(shù)據(jù)通信，一定要有時鐘，一定要在預定的時刻很高的速度發(fā)射一個光子，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。兩個光子要想辦法糾纏在一起，糾纏的意思就是難分難舍。現(xiàn)在有兩個光子，一個A光子可以有兩種狀態(tài)，一個極化方向是向上的，一個極化方向是向下的。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2。這個狀態(tài)非常特別，一般叫做兩個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，因為A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。而這種糾纏關系，A光子跟B光子可以離的很遠很遠。舉一個例子，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，大家不要輕視這個問題，這是從量子力學建立以來，爭論最大的一個問題，量子力學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，相當于超距離的關聯(lián)，而且這個糾纏還可以另外有第三個光子，極化狀態(tài)我不知道，但是沒關系，通過一定的操作可以把第三個光子狀態(tài)從地球傳遞到人造衛(wèi)星上，叫所謂的隱形狀態(tài)，像科幻小說里一個地球人原來在地球上，突然不需要時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)在有一些光學晶體，一般我們叫做非線性的光學晶體，我們國家在世界上做的非常好，是處在領先地位的，有一個很怪的名字，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，這個電子在往回返的時候要發(fā)出兩個光子，一個頻率叫做信號光子，一個是閑置光子，當然泵浦光還存在。發(fā)出的兩個光子，要滿足能量守恒，Ep等于Es加上Ei。第二是動量守恒，Kp等于Ks加上Ki。在實驗上是BBO晶體，有一個晶軸，泵浦光沿著這個方向，由于非線性晶體穿梁下轉換，閑置光，在兩個交叉的地方形成了糾纏光子對。這個圖在奧地利研究所拍攝的，這兩個光子具備我剛才所講的性質。
通信里要不只用一個光子，要不就用一個就的光子，有一個問題，如何探測單個光子？如何只發(fā)射單個光子？這不是簡單的問題。半導體吸收了一個光子以后，最多產(chǎn)生一個電子。一個電子的鄭和是1.6升的10的負19次方。如果流出探測器，非?？欤呀?jīng)用了10的負9次方秒，所產(chǎn)生的流量則為1.6X10的負50次方安培。要探測單個光子產(chǎn)生的光電流是非常不容易的。半導體里有一些辦法，就是會放大的光電探測器。吸收一個光子，可以從兩邊的電極流出一個電子，但是如果做了一個特殊結構的探測器，在這個地方有很強的電場，光產(chǎn)生的電子在電場當中要加速得到能量，能量就變得很高，能量創(chuàng)建原子，一個創(chuàng)出來三個，三個再創(chuàng)出六個，這就是倍增的效應，實際上只吸收了一個光子，創(chuàng)出來六個光子。用本身會放大的光電探測器，才能夠有可能探測單個光子產(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器。
相對來講，探測單個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候只發(fā)射一個光子？這個時候的問題就比較難了。光學的諧振腔，用兩個反射鏡，稍微有點透射，一個激光在反射鏡里來回走的時候，會產(chǎn)生光的共振現(xiàn)象，只能選擇一定頻率、一定模式的光，叫做光學的諧振腔，不光是一個方向，是三維的諧振腔，存在的光的電磁場只有一個特定的頻率，一個特定的模式。黃的里面放了單個原子，不再是人造原子，叫做量子。最基本的有一個低能性，就有一個高能性。當電子從低能極往高能極跳的時候就會放出一個光子，有一個特定的頻率。只有當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，利用這個可以走向單光子的發(fā)射。不到一微米，有一個人造原子，希望在光諧腔里只有一個原子。
怎么檢測每個光脈沖只有單個光子？利用單個原子發(fā)光的反聚集的效應，如果光只有一個原子，受極以后，電子從低能極往高能極跳的時候，一定的時候只能發(fā)射一個光子，不可能發(fā)射兩個光子，這就是所謂的反聚集的效應。把兩個探測器放在這兒，探測結果到相關器里合成一下，這兩個探測器設法用快門控制，兩個快門打開的時間可以延遲，可以調解，有可能這個快門先打開，過了一個Detector提示器的時間時候可以打開。如果光只有單個原子的話，當兩個探測器快門打開的延遲時間Detector等于0，同時打開，兩個探測器同時收到光子的機率應該等于0，因為它只可能一個光子要不到這兒，要不到那兒，不可能兩個同時探測到。
將來量子通信的光源，普通電燈泡發(fā)出來的光，在一個時間圖上看，一個個光脈沖，在時間軸上總是擠在某一個時間段。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)則的時鐘，這個時鐘是用光脈沖表示的，就是按照等間距做的，這個還要做非常艱巨的努力。
單個光子可以在量子通信里用，還要把光子引入到計算機里去。計算機的速度越來越快，最新的CPU吞吐指令的速率可以達到3.6GHz，但是很遺憾的是連接CPU跟其他元器件，比如存儲器等，主板總線的傳輸速率超不過1GHz。計算機核心的大腦CPU，有75％的時間是閑置著的，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，這種差距就會越來越大，怎么辦？要解決一個問題，在計算機里有很多芯片，有CPU，有組成，芯片跟芯片之間能不能實現(xiàn)光子通信？這就是另外的題目。
在芯片里要實現(xiàn)光子通信，目前的芯片都是用硅做的，因為硅非常廉價，因此，要把光引進到芯片里，一定要跟硅是相兼容的。但非常遺憾的是硅這種半導體材料，發(fā)光效率是非常糟糕的，這是由它的性質所決定的。但是最近有一些變化，非常近的消息，2004年10月份，美國加州洛杉磯分校做出了硅的聚光源。
還有一種辦法，從某個地方發(fā)射的光源，沿著光纖把它分開傳過去，跟它相間的紅的，當中有一個光子環(huán)。從光纖傳過來的光，波長不是很干凈，包含了很多波長。這個光子環(huán)實際上是光學的諧振腔。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，跟原來的相位只是差0或者2兀的N倍，就是互相增強的，就會起到增強的作用，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，有兩個分差，再合起來。這是銅線，既然計算機里有電數(shù)字信號，又有光，怎么把電的數(shù)字信號調制到光上去？這實際上是簡單的電容效應，有總電容，有C1、C2。當銅線里傳的是1010，就是定位高低變化的信號以后，根據(jù)電容感應的現(xiàn)象，一定在這個結板上會產(chǎn)生同樣的1010電壓的起伏，這個電壓起伏會改變波導的自設系數(shù)，會改變光沿著它傳播的相位。把銅線里傳播的數(shù)字信號調制到光上去了。
計算機的主板上，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，相當于光纖，把光傳輸過去。計算機現(xiàn)在還不能講光子計算機，但是可以實現(xiàn)光纖互聯(lián)，甚至采用光網(wǎng)卡。主板、CPU、隨機存儲器、光盤，可以用光來連接。如果能夠實現(xiàn)，計算機將來的速度就會提的很高。
