量子通信能实现无延时么？

我明白，你实际想问的是“量子通信能不能超光速”。答案可能会让你失望了：量子通信不能超光速。

为什么是这样？我有一个简略的回答和一个详细的回答。

简略的回答是：狭义相对论已经明确说了，信息的传输不能超光速（有一些事情可以超光速，但它们不传输信息）。量子通信完全是基于已知的物理学原理设计出来的，每一个步骤都在量子力学和狭义相对论的预言范围之内，所以怎么可能违反狭义相对论呢？你应该把量子通信理解成一个在已有理论框架内的充满创造力的工程作品，好比长城、赵州桥、高铁，而不是理解成一个颠覆已有理论框架的科学革命。

详细的回答如下。

量子力学是描述微观世界物理规律的基本理论。它解答了很多基本问题，例如：为什么原子能够稳定存在，绕着原子核运动的电子不会落到原子核上去？为什么原子会组合成分子？为什么有些物质能导电，有些物质不导电，有些物质是半导体，还有些物质是超导体？从晶体管到激光器，现代社会的每一样科技成就，都离不开量子力学。

量子信息是量子力学与信息科学结合产生的交叉科学，目的是利用量子力学实现经典信息科学中实现不了的功能，例如永远不会被破解的保密方法（专业名称叫“量子密码术”或者“量子保密通信”或者“量子密钥分发”）、科幻电影中的“传送术”（是的，传送术在原理上是可以实现的，它的专业名称叫做“量子隐形传态”）。

《星际迷航》中的传送术

正如经典的信息科学包括通信和计算两大领域，量子信息也可以分为两大领域：量子通信和量子计算。

量子通信的内容，包括量子密钥分发（又称为“量子密码术”或“量子保密通信”）和量子隐形传态（即传送术）以及“超密编码”等等。在严格的科学意义上，量子密钥分发并不等于量子通信，而是它的一部分。但是，量子密钥分发发展得最快，已经接近产业化了，例如中国的若干金融机构在试用量子通信仪器来传输核心数据。而量子隐形传态以及整个量子计算领域，都还处于实验室演示阶段，离实用非常远。因此，媒体上报道的量子通信，在大多数情况下指的就是量子密钥分发。

下面我来解释一下，量子密钥分发和量子隐形传态各自是什么，为什么它们都不能超光速。

先来看量子密钥分发。要理解量子密钥分发，首先要明白什么是“密钥”。其实这个词很容易理解，它就是日常语言中的“密码本”，《红灯记》、《潜伏》等谍战片中无数情报人员舍死忘生争夺的那个东西。说得正规一点，密钥就是从明文到密文的变换参数。

红灯记

发送方（以下称为A）和接收方（以下称为B）如果都有密钥，而密钥满足三个条件（一，密钥是一串随机的字符串；二，密钥的长度跟明文一样，甚至更长；三，每传送一次密文就更换密钥，即“一次一密”），那么双方之间的通信就是“绝对安全”的。这里“绝对安全”是一个数学用语，它的意思是：敌人即使截获了密文，也无法破译出明文，他能做的最多也只是瞎猜而已。

这听起来好像已经解决了保密通信问题？其实没有。真正的困难在于，怎么把密钥从一方传到另一方？现实生活当中，需要第三方的信使来传递，而信使可能被抓（如《红灯记》中的李玉和）或者叛变（如《红岩》中的甫志高），这麻烦就大了。最好是不通过信使，AB双方直接见面分享密钥。但是如果双方可以轻易见面，还要通信干什么？！

量子保密通信就是为了解决这个问题而提出的。它做的其实只有一件事情：不经过信使，通信双方直接共享密钥。

怪哉，不通过信使怎么共享密钥？关键在于，这里的密钥并不是预先就有的，一方拿在手里想交给另一方。在初始状态中，密钥并不存在！

量子密钥是在双方建立通信之后，通过双方的一系列操作产生出来的。利用量子力学的某些特性（“叠加原理”和“测量结果的随机性”），可以使双方同时在各自手里产生一串随机数，而且不用看对方的数据，就能确定对方的随机数序列和自己的随机数序列是完全相同的。这串随机数序列就被用作密钥。

量子密钥的产生过程，同时就是分发过程，——这就是量子保密通信不需要信使的原因。

双方都有了密钥之后，剩下的事情就跟经典的通信完全相同了：A把明文用密钥编码成密文，然后用任意的通信方式发给B。“任意的”通信方式的意思就是“怎么都行”：可以用电话，可以用电报，可以用电子邮件，甚至用平信都行。量子保密通信的特别之处，只是让双方不经过信使直接分享密钥，仅此而已。这就是为什么它的专业名称叫做量子密钥分发。

现在我们可以明白，量子保密通信的过程分为两步：第一步是量子密钥分发，第二步是密文的通信。第二步跟常规的通信完全一样，所以不会超光速。既然如此，整个过程自然也就不会超光速，无论第一步有多快。实际上，第一步也不会超光速，因为它的实际操作一般就是发送和接收单个光子，速度就是光速，不过这个具体过程我们就不在这里展开讲了。

再来看量子隐形传态。什么是量子隐形传态？这是一种在1993年提出的方案，把粒子A的未知的量子态传输给远处的另一个粒子B，让B粒子的状态变成A粒子最初的状态。科幻电影里经常出现的传送术，把人biu地一声就传到另一个地方，原型就是量子隐形传态。

请注意，隐形传态传的是状态而不是粒子，A、B的空间位置都没有变化，并不是把A粒子传到远处。好比A处有一辆汽车或一个人，不是把这辆汽车或这个人搬到B处，而是把B处本来就有的一堆汽车零件或原子组装成这辆汽车或这个人。

有人要问了：那岂不得到了相同的两辆汽车？两个人？！哪个是真正的自己？！在为伦理问题诗兴大发前，一句话就可以消灭这个问题：不会出现相同的两个人。大自然早有安排，杜绝了这种可能性。在隐形传态中，当B粒子获得A粒子最初的状态时，A粒子的状态必然改变。任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态，所以只是状态的移动，而不是复制。一定要说复制的话，也是一种破坏性的复制。好比武侠小说中前辈把功力传给主角，传完前辈就没有功力了，而不是出现两个高手。在宏观世界复制一本书或一个电脑文件是很容易的，在量子力学中却不能复制一个粒子的状态，这是量子与经典的一个本质区别。

很多人听说量子力学中状态的变化是瞬时的，无论两个粒子相距多远，于是认为隐形传态可以biu地一声把人传到任意远的地方，超过光速，推翻相对论。很遗憾，这个理解又是错误的。量子力学中状态的变化确实是瞬时的，但是隐形传态的方案中有一步是把一个重要的信息（可以理解为一个密码）从A处传到B处，利用这个信息才能把B粒子的状态变成目标状态。这个信息需要用经典信道（例如打电话、发邮件）传送，速度不能超过光速，所以整个隐形传态的速度也不能超过光速。

许多人以为隐形传态是先扫描出A处的物或人的状态，再在B处组装一个相同的物或人。非也非也。如果要先知道目标状态，那还有什么意思？隐形传态是在不知道A粒子的状态的情况下，把B粒子变成这个状态！就像送快递，不知道送的是什么东西，但保证原原本本地送到。

总而言之，量子隐形传态是以不高于光速的速度、破坏性地把一个粒子的未知状态传输给另一个粒子。打个比方，用颜色表示状态，A粒子最初是红色的，通过隐形传态，我们让远处的B粒子变成红色，而A粒子同时变成了绿色。但是我们完全不需要知道A最初是什么颜色，无论A是什么颜色，这套方法都可以保证B变成A最初的颜色，同时A的颜色改变。

结论：无论是通过量子密钥分发还是量子隐形传态来传输信息，都不能超光速。