量子干扰：如果量子力学不是终极真理，加密还安全吗？

在过去的几十年里，研究人员已经意识到，量子计算机最终将能够破解广泛使用的加密代码，而这些代码保护着数字世界的绝大部分安全。为了防止这种结局，他们花费了数年时间开发新代码，这些代码看起来能够抵御未来武装了量子计算机的“保险箱破解者”。

与此同时，他们还设计出了巧妙的方法，利用量子力学规则来确保通信安全。但是，量子力学就像它之前的“经典”力学一样，也只是关于自然的一种理论。如果它最终被一套更完备的理论所取代，就像一个世纪前量子力学取代牛顿物理学那样，该怎么办？在存在一套更基本的规则的世界里，这些量子通信技术还能保持安全吗？

“就这些加密协议而言，保持偏执是有好处的，”香港大学量子信息理论家、致力于量子密码学研究的拉维尚卡尔·拉马纳坦（Ravishankar Ramanathan）说。“让我们试着尽量减少协议背后的假设。让我们假设在未来的某个日子，人们意识到量子力学并不是自然的终极理论。”

这是一种值得考虑的可能性。一些悬而未决的难题——比如调和量子力学与引力的矛盾——表明，一种“后量子”的自然理论可能涉及某些相当出人意料的东西。

为了防止他们的协议建立在错误的假设之上，一些量子密码学家正在寻找更基本的原理作为基石。他们没有从量子力学出发，而是挖掘得更深，直达“因果关系”的最核心概念。

隐秘的破坏

要理解该领域的进展，一种方法是考虑“量子密钥分发”（QKD）。它涉及利用量子力学规则来传递密钥（用于解密秘密消息的工具），且这种传递方式无法被暗中篡改。量子密钥分发利用了“量子纠缠”，即通过粒子的一种属性（如自旋）将两个粒子锁定在一起。量子纠缠中包含一种类似于“自动报警地雷”的机制。如果有人试图干扰这种纠缠——就像他们试图窃取密钥时那样——这种入侵就会破坏纠缠，从而暴露破坏行为。这是因为一个被称为“纠缠的一夫一妻制”（monogamy of entanglement）的基本量子力学原理。

但如果这一原理不再成立了呢？在这种情况下，如果传递消息的人没有完全控制他们的设备，外部人员就有可能悄悄地改变粒子的纠缠状态，在不留痕迹的情况下中断通信。

这一过程被称为量子干扰（quantum jamming），近年来，对该现象的研究兴趣激增。

对于许多科学家来说，干扰之所以具有吸引力，是因为它可以帮助他们更好地理解量子力学以及因果关系的本质。他们想知道：是否存在禁止干扰的深层原理，使其变得不可能？或者，如果没有原理禁止它，量子干扰是否可能在现实世界中发生？

干扰者吉姆

波兰克拉科夫雅盖隆大学的理论物理学家米哈乌·埃克斯坦（Michał Eckstein）喜欢用一个故事来解释干扰。故事的主角是解释量子力学时常用的经典角色：爱丽丝（Alice）和鲍勃（Bob）。

“假设爱丽丝和鲍勃遇到了一位魔术师，干扰者吉姆，”埃克斯坦说。“魔术师说：‘我有两个球，一个是白的，一个是黑的。’”

这些球代表一对纠缠粒子。如果两个粒子处于纠缠态，它们就拥有某种以特定方式关联的属性——例如，如果你测量第一个粒子并发现它的自旋向上，那么另一个粒子的自旋必然向下，反之亦然。即使另一个粒子远在宇宙的另一端，这一点也依然成立。在这里，这些球是关联的，如果一个是白的，另一个总是黑的。

在舞台魔术的经典套路中，吉姆让观众看着球被放进两个盒子里，打乱顺序后分给爱丽丝和鲍勃。此时，没有人知道哪个盒子里装的是哪种颜色的球。

然后爱丽丝和鲍勃分别登上火箭船，以接近光速的速度向相反方向飞去。过了一会儿，爱丽丝打开了她的盒子，鲍勃也打开了他的。但在此期间，吉姆施展了一个戏法，球的颜色改变了。

起初，爱丽丝和鲍勃都没有注意到吉姆的干扰。每个人都预期有 50% 的机会看到白球或黑球，当他们打开盒子时，球确实要么是白的，要么是黑的。吉姆所做的任何事都无法改变这一点。

然而，当爱丽丝和鲍勃回到地球相聚时，魔术师的戏法露馅了。当爱丽丝和鲍勃对比他们的测量结果时，他们发现球的颜色居然是一样的。吉姆改变了球纠缠的性质——从原本的颜色相反变成了完全相同。

这就是基本构想，虽然在现实中，量子干扰的过程要复杂得多。

在 20 世纪 90 年代中期，雅各布·格伦豪斯（Jacob Grunhaus）、桑杜·波佩斯库（Sandu Popescu）和丹尼尔·罗尔利希（Daniel Rohrlich）正在探索一种理论：在仍然尊重爱因斯坦的核心原理（即信息传输速度不能超过光速）的前提下，这种理论能超越量子力学规则到什么程度？爱因斯坦在上世纪中叶的思维实验表明，如果没有这种“无信号”原理（no-signaling principle），因果关系的概念本身就会开始瓦解。从那时起，当物理学家考虑量子力学之外可能存在什么时，无信号原理就成了一个核心假设。法国国家信息与自动化研究所（Inria）的米里亚姆·魏伦曼（Mirjam Weilenmann）说：“当我们在量子基础领域工作时，我们会非常认真地对待无信号原理。”

格伦豪斯、波佩斯库和罗尔利希将干扰想象成一种可以干扰纠缠粒子的“超级纠缠”。正如你可以使用测量设备来决定远方纠缠粒子的命运一样，你也可以使用一种假设的干扰设备来改变一对远方纠缠粒子之间的关联性。一些物理学家认为，如果这种干扰过程遵循一些关键规则，它就会在不破坏因果关系的情况下秘密地瓦解量子纠缠。

量子干扰的想法是如此奇怪，以至于物理学家最初不知道该拿它怎么办。“我们写了那篇论文，然后就没下文了，”波佩斯库说。

因果关系

二十年后，进一步探索该领域的时机成熟了。

随着量子计算机从理论构想转变为现实世界中的实验，量子密码学也随之发展。在 21 世纪的头十年里，好几个 团队 开发了 “设备无关量子密钥分发”（DI-QKD），这是一种依赖于纠缠的一夫一妻制的量子加密程序。

2016 年，拉马纳坦和帕维乌·霍罗德茨基（Paweł Horodecki）在思考这些协议时发现了格伦豪斯、波佩斯库和罗尔利希的那篇论文。“我们开始意识到，这种一夫一妻制属性（所有设备无关加密的基础）一旦你开始允许这些类型的干扰关联存在，就会彻底失效，”拉马纳坦说。

很快，干扰成为了讨论的热点。许多研究人员觉得这个思维实验忽略了一些重要的东西：虽然干扰不能用于以超光速发送信号，但影响远方量子粒子的状态，听起来仍然像是很久以前折磨爱因斯坦的那种“鬼魅般的超距作用”。

但对于一些研究人员来说，量子干扰带来的这种不适感正在激发新的想法。罗杰·科尔贝克（Roger Colbeck）在他的 2006 年博士论文中提出了最早的设备无关加密协议之一，他说：“我将其视为一种工具，试图帮助磨练我们对什么是因果关系的正确定义的直觉。”

科尔贝克现就职于伦敦国王学院，他正与格勒诺布尔-阿尔卑斯大学 Inria 研究中心的 V. Vilasini 合作，对不同理论中的因果关系运作方式进行分类。对他们来说，干扰是一个非常有用的边缘案例。他们正在寻找另一个基本原理（类似于无信号原理），用以解释干扰究竟破坏了哪些规则。

拉马纳坦和霍罗德茨基的团队对这项工作以及魏伦曼最近的一篇论文做出了回应。在 2025 年 12 月的一篇预印本中，他们与埃克斯坦、托马什·米勒（Tomasz Miller）以及帕维乌·霍罗德茨基的父亲理查德（Ryszard）共同进行了探讨。现在，这些研究人员正在进行对话，试图澄清术语、修正误解，并寻找物理理论背后的基本原理。

“对我来说，这是最有趣的问题，”埃克斯坦说。“这背后有新的物理学吗？物理学可以包含这种现象吗？”

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重要术语翻译对照表

英文术语	中文翻译	备注
Quantum Jamming	量子干扰 / 量子阻塞	指在不违反无信号原理的前提下改变纠缠关联。
Quantum Key Distribution (QKD)	量子密钥分发	利用量子力学原理共享加密密钥。
Monogamy of Entanglement	纠缠的一夫一妻制	一个粒子不能同时与两个独立粒子达到最大纠缠。
Device-independent (DI)	设备无关的	不依赖于对量子设备内部运作的信任。
No-signaling Principle	无信号原理 / 无通信原理	信息传输速度不能超过光速的物理限制。
Entanglement	纠缠	量子粒子间的一种强关联状态。
Post-quantum Theory	后量子理论	此处指可能取代量子力学的更基本的物理理论。
Spooky action at a distance	鬼魅般的超距作用	爱因斯坦对量子纠缠的著名描述。
Causality	因果关系	事件之间原因与结果的逻辑联系。
Spin	自旋	微观粒子的一种内秉角动量。