3月5日，顶刊《自然》杂志刊登了意大利科学家团队的研究成果，通过一块特殊设计的半导体材料，让照射在上面的激光与半导体(tǐ)材(cái)料(liào)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)，形(xíng)成(chéng)一(yī)种(zhǒng)混(hùn)合(hé)状(zhuàng)态(tài)的(de)粒(lì)子(zi)，称(chēng)为(wèi)“极(jí)化(huà)激(jī)元(yuán)”（polaritons）。科(kē)学(xué)家(jiā)团(tuán)队(duì)已(yǐ)经(jīng)发(fā)现(xiàn)这(zhè)种(zhǒng)粒(lì)子(zi)在(zài)具(jù)备(bèi)“超(chāo)流(liú)体(tǐ)”特(tè)征(zhēng)的(de)同(tóng)时(shí)，具(jù)有(yǒu)固(gù)体(tǐ)的(de)一(yī)些(xiē)特(tè)征(zhēng)。正(zhèng)好(hǎo)契(qì)合(hé)了(le)科(kē)学(xué)家(jiā)对(duì) “超(chāo)固(gù)体(tǐ)”的(de)理(lǐ)论(lùn)预(yù)期(qī)。

因(yīn)此(cǐ)，“超(chāo)固(gù)体(tǐ)”并(bìng)非(fēi)日(rì)常(cháng)生(shēng)活(huó)中(zhōng)有(yǒu)重(zhòng)量(liàng)、有(yǒu)形(xíng)状(zhuàng)的(de)固(gù)体(tǐ)，部(bù)分(fēn)媒(méi)体(tǐ)报(bào)道(dào)为(wèi)“光(guāng)能(néng)变(biàn)为(wèi)固(gù)体(tǐ)“的(de)描(miáo)述(shù)并(bìng)不(bù)准(zhǔn)确(què)，但(dàn)光(guāng)确(què)实(shí)具(jù)备(bèi)一(yī)些(xiē)与(yǔ)日(rì)常(cháng)经(jīng)验(yàn)相(xiāng)悖(bèi)的(de)性(xìng)质(zhì)。利(lì)用(yòng)光(guāng)子(zi)的(de)”能(néng)量(liàng)身(shēn)份(fèn)证(zhèng)“和(hé)”拐(guǎi)弯(wān)运(yùn)动(dòng)“特(tè)性(xìng)，人(rén)们(men)让(ràng)光(guāng)纤(xiān)通(tōng)信(xìn)的(de)加(jiā)密(mì)成(chéng)为可能。

从只能语音通话的“1G”，到可以视频聊天的“5G”，光纤功不可没。无论是用手机看微信、刷视频，还是车辆读取定位、导航信息，这些从移动终端发出的无线信号，经临近的通信基站接收、处理成按特定规律发射的激光信号，通过光纤发往全国各地。光纤就像内壁贴满镜子的管道，光线会在其中不断反射，直到抵达另一端。无线信号和电信号容易受到干扰、能量衰减，因此需要许多基站“接力”，而光纤中的光信号可以无损传输很长距离，带来了巨大的效率提升，让陕煤曹家湾煤矿的无人巡检开采、襄阳的车流智能调控等需要快速反应、控制的应用得以实现。

随着各行各业更加依赖光纤实现自动操作、分享数据，其信息安全问题逐渐变得突出。实质上，光纤中的光能够实现完全反射，是需要光与光纤内壁始终保持一个较(jiào)小(xiǎo)的(de)角(jiǎo)度(dù)。如(rú)果(guǒ)受(shòu)到(dào)外(wài)力(lì)弯(wān)折(zhé)，一(yī)小(xiǎo)部(bù)分(fēn)光(guāng)就(jiù)会(huì)穿(chuān)透光纤射出，别有用心的人就能借此获知其中信息。因此想要安全传输敏感信息，就必须对内容加密，使得窃密人只能获取无法直接解读的密文。

现在我们利用光纤传递信息，依靠的是光纤内激光束射出位置（相位）、闪烁快慢（频率）等宏观特征，窃密人在大量相同的光中“偷取一点”，很难被人发觉。如(rú)果(guǒ)要(yào)用(yòng)光(guāng)作(zuò)为(wèi)密(mì)钥(yào)，那(nà)么(me)就(jiù)要(yào)找(zhǎo)到(dào)能(néng)够(gòu)让(ràng)作(zuò)为(wèi)密(mì)钥(yào)的(de)光(guāng)“独(dú)一(yī)无(wú)二(èr)”的(de)那(nà)种(zhǒng)特(tè)性(xìng)。科(kē)学(xué)家(jiā)通(tōng)过(guò)光(guāng)电(diàn)效(xiào)应(yīng)实(shí)验(yàn)发现，光的能量有高低之分，而且并不是连续的。一些材料在接收到足够多能量后，会以光的形式放出这些能量；当有些材料能将“1份”能量转化成“1份”光，有些则是“2份”能量转化(huà)成(chéng)“1份(fèn)”光(guāng)。科(kē)学(xué)家(jiā)将(jiāng)这(zhè)种(zhǒng)单(dān)位(wèi)命(mìng)名为(wèi)“量(liàng)子(zi)”，“一(yī)份(fèn)光(guāng)”也(yě)就(jiù)是(shì)一(yī)个(gè)光(guāng)量(liàng)子(zi)。能(néng)量(liàng)水(shuǐ)平(píng)便(biàn)成(chéng)为(wèi)了(le)光(guāng)量(liàng)子(zi)无(wú)法(fǎ)被(bèi)拆(chāi)分(fēn)的(de)“身(shēn)份(fèn)证(zhèng)明(míng)”。

既(jì)然光量子会因为能量的消耗改变性质，那窃听者可以重新给光量子“充能“，或是复制一份能量相同的光量子给原来的接收者，从而避免被发现吗？答案是否定的。关键在于光量子不仅有作为“身份证明”的能量水平，还有独特的运动状态。我们通常认为光是沿直线传播的，用手挡住阳光，会形成一片影子，这是我们认为光沿直线传播的生活实例。但如果仔细观察影子的边缘，会发现它其实是模糊的——影子从手指边缘向内逐渐加深，表明光能够“绕过“障碍物传播。实验证明，单个光量子的传播方式与声波、水波、舞动的飘带更加类似，具备波动传播的性质。通过人为处理，相同能量的光量子也能以不同的波动轨迹传播。当单个光量子被窃密人截获的那一刻起，它的运动就随之停止或改变(biàn)，也(yě)就(jiù)无(wú)法(fǎ)得(de)知(zhī)之(zhī)前(qián)的(de)轨(guǐ)迹(jī)了(le)。如(rú)果(guǒ)说(shuō)能(néng)量(liàng)水(shuǐ)平(píng)是(shì)光(guāng)量(liàng)子(zi)的(de)”身(shēn)份(fèn)证(zhèng)明(míng)“，运(yùn)动(dòng)状(zhuàng)态(tài)也(yě)就(jiù)成(chéng)了(le)光(guāng)量(liàng)子(zi)的(de)”未(wèi)读(dú)标(biāo)记(jì)“。

由于光量子无法被拆分，且无法通过截获来(lái)得(de)知(zhī)发(fā)出(chū)时(shí)的(de)运(yùn)动(dòng)状(zhuàng)态(tài)，光(guāng)量(liàng)子(zi)密(mì)钥(yào)在(zài)光(guāng)纤(xiān)内(nèi)传(chuán)播(bō)时(shí)的(de)安(ān)全性也就得以保证。但原本的接收者如何确认自己接收到了正确的密钥，并用于解密原文呢？之后我们将详细介绍量子密钥分发技术中的“BB84协议”。

本稿件经中国通信学会量子通信专委会专家审核