《自然》说”光能变成固体“？不能望文生义，但光确实能”拐弯“
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材料相互作用，形成一种混合状态的粒子，称为“极化激元”（polaritons）。科学家团队已经发现(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)预期。
因此，“超固体”并非日常生活中有重量、有形状的固体，部分媒体报道为“光能变为固体“的描述并不准确，但光确实具备一些与日常经验相悖的性质。利用光子的”能量身份证“和”拐弯运动“特性，人们让光纤通信的加密成为可能。
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(diàn)信(xìn)号(hào)容(róng)易(yì)受(shòu)到(dào)干(gàn)扰(rǎo)、能(néng)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(suí)着(zhe)各(gè)行(xíng)各(gè)业(yè)更(gèng)加(jiā)依(yī)赖(lài)光(guāng)纤(xiān)实(shí)现(xiàn)自(zì)动(dòng)操(cāo)作(zuò)、分(fēn)享(xiǎng)数(shù)据(jù)，其(qí)信(xìn)息(xi)安(ān)全问(wèn)题(tí)逐(zhú)渐(jiàn)变(biàn)得(de)突(tū)出(chū)。实(shí)质(zhì)上(shàng)，光(guāng)纤(xiān)中(zhōng)的(de)光(guāng)能够实现完全反射，是需要光与光纤内壁始终保持一个较小的角度。如果受到外力弯折，一小部分光就会穿透光纤射出，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(rén)发(fā)觉(jué)。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(fā)现(xiàn)，光(guāng)的(de)能(néng)量(liàng)有(yǒu)高(gāo)低(dī)之(zhī)分(fēn)，而(ér)且(qiě)并(bìng)不(bù)是(shì)连(lián)续(xù)的(de)。一(yī)些材料在接收到足够多能量后，会以光的形式放出(chū)这(zhè)些(xiē)能(néng)量(liàng)；当(dāng)有(yǒu)些(xiē)材(cái)料(liào)能(néng)将(jiāng)“1份(fèn)”能(néng)量(liàng)转(zhuǎn)化(huà)成(chéng)“1份(fèn)”光(guāng)，有(yǒu)些(xiē)则是“2份”能量转化成“1份”光。科学家将这种单位命名为“量子”，“一份光”也就是一个光量子。能量水平便成为了光量子无法被拆分的“身份证明”。
既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(shì)，具(jù)备(bèi)波(bō)动(dòng)传(chuán)播(bō)的(de)性(xìng)质(zhì)。通(tōng)过(guò)人(rén)为(wèi)处(chù)理(lǐ)，相(xiāng)同(tóng)能(néng)量(liàng)的(de)光(guāng)量(liàng)子(zi)也(yě)能(néng)以(yǐ)不(bù)同(tóng)的(de)波(bō)动(dòng)轨(guǐ)迹(jī)传(chuán)播(bō)。当(dāng)单(dān)个(gè)光(guāng)量(liàng)子(zi)被(bèi)窃(qiè)密(mì)人(rén)截(jié)获(huò)的(de)那(nà)一(yī)刻(kè)起，它的运动就随之停止或改变，也就无法得知之前的轨迹了。如果说能量水平是光量子的”身份证明“，运动状态也就成了光量子的”未读标记“。
由于光量子无法被拆分，且无法通过截获来得知发出时的运动状态，光量子密钥在光纤内传播时的安全性也就得以保证。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