下面要来一个跨越及从这个实验怎么进入到量子密钥通信。量子力学里有一个最基本的海森堡的测不准关系。现在稍微用一个非常简单的数学来描述一下测不准的具体含义是什么。跟经典力学一样，在量子力学当中有两个观测量，一个A，一个B。对于经典力学最简单的，可以说一个是坐标，一个是动量。A力学量的平均值是＜A＞，观测值肯定跟平均值上下是有波动的。用A表示平均值的偏差，同样用B表示观测值与平均值的偏差。一般叫均方值。就是A乘B减掉B乘A，一定等于零，在经典力学的范畴里是对的，在量子力学的范畴是不对，两个量不能随便交换次序。A乘B减掉B乘A是什么意思呢？量平均值的绝对值的平方，这就是说海森堡的测不准关系可以用这样的数据，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对应括号的平方。简单从不等式来看，只要是A乘B减掉B乘A不等于零的话，就是方程的右面不等于零，我们就一定知道＜A、B＞的平方，这两个物理量不能同时被测准，这是什么含义呢？如果B能准时测准，B就等于零了，除过去，在分母上等于零，偏差就要无穷大，反过来也是这样，A如果能测准，B的偏差就要无穷大。

　　200年前Young双缝电子衍射，怎么能够做一个保密的通信？既然是通信，发射方是小女孩儿，叫Alice，接收方是Bob，可能是她的男朋友，Alice用电子枪发射电子，通过1、2两个双缝，通过来以后Bob弄了一块底板，看底板上接收到什么东西。假如把狭缝1堵住，电子只能通过狭缝2，在底板上的强度分布一定是这样的情况。反过来一样，堵上2，让电子通过1，这时的强度分布就是这样的。很容易想象到，这两个累加起来一定就是这样的。但事实上通过狭缝1、2的电子，要互相发射干涉，产生了一个干涉条。Bob只要一看我得到了一个干涉条纹，是波动性的结果，就保证了中间没有任何人窃听。两个项目同时开的时候，强度P12实际上等于通过狭缝1的状态加上通过狭缝2的状态的绝对值的平方。现在有一个黑客Eve躲在这儿想进行测量，要看看Alice发出来的电子是不是从狭缝2来的，情况马上发生变化，这是量子力学里讲的状态，如果一旦有人测量它，这个状态就要进行探索。这个分布证明了粒子性。

　　从双重电子衍射可以用来做保密通信，Bob只要看我接收到的图形，如果是正当的衍射图形还是这样的图形，如果出现这样的图形，就知道一定有黑客在窃听。当然还不能真正用到量子通信里。

　　真正的量子通信是怎么做的？爱因斯坦发现外光电效应，用的光包含了许多许多光子，但是在量子通信里我们用单个光子。量子通信有一些名词，一种叫量子密钥通信，还有一种叫量子隐形传态，这里的量子力学太多了。

　　要讲量子密钥通信，一定要看一下经典的密钥通信是怎么做的。保密通信对于国家的安全是非常重要的，一般的做法，同样有一个发射方Alice，有一个接收方Bob。通信总是有一个明文，人能看得懂的文。在发送以前有一把钥匙，叫做密钥。通过的一定方式加密了，把它送到公共的通信讯道上去。Bob接收到了加密以后的密文，利用同样的密钥解密，这时知道Alice发给他什么样的秘密信息。但是这里有个条件，Alice必须告诉Bob，通过非常秘密的信道说我使用的密钥是什么，否则Bob没法解密。当然，在公共讯道上有黑客，Eve照样可以窃听。

　　形象地讲，Alice本来想把照片发给Bob，加密以后照片变得什么都没有了，Bob用密钥解密，又复原了图片。

　　无论是第一次世界大战、第二界世界大战和现代战争，保密通信是绝对重要的。经典的密钥通信存在什么样的安全隐患？发展到现在，有一种一次性使用的，像写信的便笺式的密文，被认为是安全的，但是要使用的密钥，密钥实际上是一组无规则的1010数字，长度要跟明文的长度是一样长的，而且这个密钥一定要通过秘密信道传送，通过这个信道传送的费用高的非常不现实，比如采取非常保密的邮差，危险性很大，半路被人劫持了以后很麻烦。这时有人说太贵了，我想把密钥重复使用第二次，把密钥的长度缩减一点，这时就危险了，密钥通信就不安全了。计算机发展到现在，窃听者Eve窃取了加密的东西以后，可以利用计算机解密，这就是经典的密钥通信的安全隐患。而且经典的密钥通信有一个逻辑上的困惑，我在跟Alice和Bob准备进行密钥通信，但必须先另外有一个通道进行密钥通信，这从道理上有一个鸡和蛋怎么解的问题。

　　基于测不准关系的量子通信。现代的数字通信都是用1、0代表最基本的数字位，一般叫做比特。在计算机里最常用的是高的电瓶代表1，0电瓶代表0，或者在CCD里有很多电荷代表1，没有电荷就代表0。一个数字0、1，只要有两种可区别的状态，就可以表示。对单个光子来讲，运用电场的偏振方向进行。光是电磁场，Kz是光的传播方向。跟传播方向的垂直平面有高频电场，电磁量的方向可以沿着X方向，也可以沿着Y方向。同时也可以说把沿X方向的作为0，如果偏振方向变成了Y方向，就把它变成1。这种配置一般叫做直角的偏振模式的配置。如果单用这个模式，不是很安全。实际上我们还可以把直角的偏振配置转移45度，变成了对角的偏振模式，也就是说可以把沿45度的变成0，而沿135度的变成1，光子在直角模式里，垂直方向代表0，水平方向代表1，在对角方向上，45度的代表0，135度的代表1。

　　量子密钥通信，同样有一个发射方Alice，接收方Bob，还有窃听者Eve。Alice用了一个激光源，发出单个的光子，没有一个特定的偏振方向。Alice用了四种偏振片，偏振选择，可以用单个光子通过以后，偏振方向，这是形象的，变成水平的，这就变成垂直的，这就变成45度，这就变成135度。量子密钥通信最重要的是Alice怎么把密钥通信告诉Bob，这个过程不能泄密，只要完成了这个过程，其它就没什么关系了。

　　第一步，Alice随意地选择直角或对角模方式发一串光子，要把它记下来。比如按照时间顺序，这是水平的，这是135度的，依此类推，随便自己来转，这是第一步做的事情。

　　第二步，接收方Bob的偏振模式，一个是垂直的，一个是对角的，随机的选这两种模式的一种，测量他所接收到的光子，随便选，肯定有它的测量结果。这时不要忘还有第三者窃听，对窃听者来讲，因为每一个光脉冲只有一个光子，也是可能用垂直模式或对接模式的一种，把当中的一个光子截下来进行测量，但是如果选择的模式选错了，虽然测量了，按照测量结果又把光子给Bob发回去，这个时候一定要出错。Eve也做了窃听。等到Bob把所有的光子都接收到了以后，通过电话告诉Alice，我选择的偏振模式的序列是垂直、垂直、垂直、垂直、对角、垂直、垂直。Bob告诉了Alice，Alice在通话里告诉他，对不起，哪些模式的选择是正确的，哪些选择是错误的。Bob只保留正确的偏振模式的序列，保留下来实际上代表的是1010这组数字，作为A跟B共同使用的密钥。即使Eve窃听了一个光子，如果用错了，Bob得到的结果也是错的，Alice告诉他这个数据是错的，就不用了。因此，这个密钥从Alice到Bob传递过程当中不怕窃听，窃听的去掉了，不要了。这个实验在实验室里用激光来做的，目前能够在光纤里，特别是在瑞士，能进行大概70公里的密钥通信。最后选的密钥，一杆一杆代表的是错的，不要了，留下来的是0、0、1、1，序列很长，完成了密钥通信。量子力学现在得到非常重要的应用，对量子密钥通信下了很大的力量去投入。要保证量子密钥通信是安全的，表示每一个比特数字的每个光脉冲，是数字通信，所以光源是多个光脉冲，每一个光脉冲里只能包含一个光子。设想如果某一个光脉冲包含了两个光子，事情就坏了，为什么呢？Eve可以窃取当中的一个光子，另外一个光子照样给Bob，所以Bob并没有知道被别人侵用了，为了保证量子密钥通信的安全性，必须保证每一个光脉冲里面只有一个光子，这是非常了不得的。现在这些光成千上万都不是很多光子，现在只能是一个光子，因为要进行数据通信，一定要有时钟，一定要在预定的时刻很高的速度发射一个光子，有没有光源就非常重要了。

　　下面讲一讲量子通信里的另外一种，量子隐形。两个光子要想办法纠缠在一起，纠缠的意思就是难分难舍。现在有两个光子，一个A光子可以有两种状态，一个极化方向是向上的，一个极化方向是向下的。同样B光子也有向上的极化方向、向下的极化方向。在数学上，A的向上乘上B的向下，减掉A的向下，乘上B的向上，乘上根号2。这个状态非常特别，一般叫做两个光子纠缠不清的状态。假如我知道A光子的偏振方向是向上的，因为A光子只有两种状态，A光子向下的状态一定是等于0的，乘下来B光子的偏振方向一定是向下的。反过来也是一样，如果知道A光子是向下的，一定知道B光子是向上的。而这种纠缠关系，A光子跟B光子可以离的很远很远。举一个例子，把A光子放在地球上，B光子放在人造卫星上，A光子极化是向上的，不用跑到人造卫星上，一定知道B光子是向下的。反过来也是，大家不要轻视这个问题，这是从量子力学建立以来，争论最大的一个问题，量子力学到底是局域的还是非局域的。所谓局域的，总是在非常有限的空间里才能够起作用，相当于超距离的关联，而且这个纠缠还可以另外有第三个光子，极化状态我不知道，但是没关系，通过一定的操作可以把第三个光子状态从地球传递到人造卫星上，叫所谓的隐形状态，像科幻小说里一个地球人原来在地球上，突然不需要时间跨越这么大的空间跑到卫星上去。

　　纠缠的光子怎么产生？现在有一些光学晶体，一般我们叫做非线性的光学晶体，我们国家在世界上做的非常好，是处在领先地位的，有一个很怪的名字，叫BBO。利用光，叫做泵浦光，频率是ΩP，把非线性晶体里的发光中心从低能性绕到高能性，这个电子在往回返的时候要发出两个光子，一个频率叫做信号光子，一个是闲置光子，当然泵浦光还存在。发出的两个光子，要满足能量守恒，Ep等于Es加上Ei。第二是动量守恒，Kp等于Ks加上Ki。在实验上是BBO晶体，有一个晶轴，泵浦光沿着这个方向，由于非线性晶体穿梁下转换，闲置光，在两个交叉的地方形成了纠缠光子对。这个图在奥地利研究所拍摄的，这两个光子具备我刚才所讲的性质。

　　通信里要不只用一个光子，要不就用一个就的光子，有一个问题，如何探测单个光子？如何只发射单个光子？这不是简单的问题。半导体吸收了一个光子以后，最多产生一个电子。一个电子的郑和是1.6升的10的负19次方。如果流出探测器，非常快，已经用了10的负9次方秒，所产生的流量则为1.6X10的负50次方安培。要探测单个光子产生的光电流是非常不容易的。半导体里有一些办法，就是会放大的光电探测器。吸收一个光子，可以从两边的电极流出一个电子，但是如果做了一个特殊结构的探测器，在这个地方有很强的电场，光产生的电子在电场当中要加速得到能量，能量就变得很高，能量创建原子，一个创出来三个，三个再创出六个，这就是倍增的效应，实际上只吸收了一个光子，创出来六个光子。用本身会放大的光电探测器，才能够有可能探测单个光子产生的电流。最近我们做的是用完全不同的新原理做的，也是用放大的光探测器。

　　相对来讲，探测单个光子可能还是比较容易的，但是怎么能保证光源在特定的时候只发射一个光子？这个时候的问题就比较难了。光学的谐振腔，用两个反射镜，稍微有点透射，一个激光在反射镜里来回走的时候，会产生光的共振现象，只能选择一定频率、一定模式的光，叫做光学的谐振腔，不光是一个方向，是三维的谐振腔，存在的光的电磁场只有一个特定的频率，一个特定的模式。黄的里面放了单个原子，不再是人造原子，叫做量子。最基本的有一个低能性，就有一个高能性。当电子从低能极往高能极跳的时候就会放出一个光子，有一个特定的频率。只有当放出的光跟谐振腔的光一模一样，频率一样，模式一样，它才能够在光斜枪里存在，利用这个可以走向单光子的发射。不到一微米，有一个人造原子，希望在光谐腔里只有一个原子。

　　怎么检测每个光脉冲只有单个光子？利用单个原子发光的反聚集的效应，如果光只有一个原子，受极以后，电子从低能极往高能极跳的时候，一定的时候只能发射一个光子，不可能发射两个光子，这就是所谓的反聚集的效应。把两个探测器放在这儿，探测结果到相关器里合成一下，这两个探测器设法用快门控制，两个快门打开的时间可以延迟，可以调解，有可能这个快门先打开，过了一个Detector提示器的时间时候可以打开。如果光只有单个原子的话，当两个探测器快门打开的延迟时间Detector等于0，同时打开，两个探测器同时收到光子的机率应该等于0，因为它只可能一个光子要不到这儿，要不到那儿，不可能两个同时探测到。

　　将来量子通信的光源，普通电灯泡发出来的光，在一个时间图上看，一个个光脉冲，在时间轴上总是挤在某一个时间段。从激光发出来的光脉冲，光子能是杂乱的。人造原子发出来的反聚集的光，靠的很近的两个光子很少。将来用在量子通信里，光这样还不够，一定产生规则的时钟，这个时钟是用光脉冲表示的，就是按照等间距做的，这个还要做非常艰巨的努力。

　　单个光子可以在量子通信里用，还要把光子引入到计算机里去。计算机的速度越来越快，最新的CPU吞吐指令的速率可以达到3.6GHz，但是很遗憾的是连接CPU跟其他元器件，比如存储器等，主板总线的传输速率超不过1GHz。计算机核心的大脑CPU，有75％的时间是闲置着的，一直在等待被阻塞在总线中的指令与数据。随着今后的CPU越来越先进，这种差距就会越来越大，怎么办？要解决一个问题，在计算机里有很多芯片，有CPU，有组成，芯片跟芯片之间能不能实现光子通信？这就是另外的题目。

　　在芯片里要实现光子通信，目前的芯片都是用硅做的，因为硅非常廉价，因此，要把光引进到芯片里，一定要跟硅是相兼容的。但非常遗憾的是硅这种半导体材料，发光效率是非常糟糕的，这是由它的性质所决定的。但是最近有一些变化，非常近的消息，2004年10月份，美国加州洛杉矶分校做出了硅的聚光源。

　　还有一种办法，从某个地方发射的光源，沿着光纤把它分开传过去，跟它相间的红的，当中有一个光子环。从光纤传过来的光，波长不是很干净，包含了很多波长。这个光子环实际上是光学的谐振腔。如果是反射镜，光可以产生共振的状况。光绕一圈回到原点，跟原来的相位只是差0或者2兀的N倍，就是互相增强的，就会起到增强的作用，根据需要，在红颜色里选择不同频率的光。

　　有了选择频率的光还不行，光的波导，有两个分差，再合起来。这是铜线，既然计算机里有电数字信号，又有光，怎么把电的数字信号调制到光上去？这实际上是简单的电容效应，有总电容，有C1、C2。当铜线里传的是1010，就是定位高低变化的信号以后，根据电容感应的现象，一定在这个结板上会产生同样的1010电压的起伏，这个电压起伏会改变波导的自设系数，会改变光沿着它传播的相位。把铜线里传播的数字信号调制到光上去了。

　　计算机的主板上，CPU，既有光的通道，又有电的通道，互联怎么办？这些都是用聚合体，外表涂了铜，凝聚电线上下传递。光的波导，相当于光纤，把光传输过去。计算机现在还不能讲光子计算机，但是可以实现光纤互联，甚至采用光网卡。主板、CPU、随机存储器、光盘，可以用光来连接。如果能够实现，计算机将来的速度就会提的很高。