我明白，你實(shí)際想問(wèn)的是“量子通信能不能超光速”。答案可能會(huì)讓你失望了：量子通信不能超光速。
為什么是這樣？我有一個(gè)簡(jiǎn)略的回答和一個(gè)詳細(xì)的回答。
簡(jiǎn)略的回答是：狹義相對(duì)論已經(jīng)明確說(shuō)了，信息的傳輸不能超光速（有一些事情可以超光速，但它們不傳輸信息）。量子通信完全是基于已知的物理學(xué)原理設(shè)計(jì)出來(lái)的，每一個(gè)步驟都在量子力學(xué)和狹義相對(duì)論的預(yù)言范圍之內(nèi)，所以怎么可能違反狹義相對(duì)論呢？你應(yīng)該把量子通信理解成一個(gè)在已有理論框架內(nèi)的充滿創(chuàng)造力的工程作品，好比長(zhǎng)城、趙州橋、高鐵，而不是理解成一個(gè)顛覆已有理論框架的科學(xué)革命。
詳細(xì)的回答如下。
量子力學(xué)是描述微觀世界物理規(guī)律的基本理論。它解答了很多基本問(wèn)題，例如：為什么原子能夠穩(wěn)定存在，繞著原子核運(yùn)動(dòng)的電子不會(huì)落到原子核上去？為什么原子會(huì)組合成分子？為什么有些物質(zhì)能導(dǎo)電，有些物質(zhì)不導(dǎo)電，有些物質(zhì)是半導(dǎo)體，還有些物質(zhì)是超導(dǎo)體？從晶體管到激光器，現(xiàn)代社會(huì)的每一樣科技成就，都離不開量子力學(xué)。
量子信息是量子力學(xué)與信息科學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的交叉科學(xué)，目的是利用量子力學(xué)實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息科學(xué)中實(shí)現(xiàn)不了的功能，例如永遠(yuǎn)不會(huì)被破解的保密方法（專業(yè)名稱叫“量子密碼術(shù)”或者“量子保密通信”或者“量子密鑰分發(fā)”）、科幻電影中的“傳送術(shù)”（是的，傳送術(shù)在原理上是可以實(shí)現(xiàn)的，它的專業(yè)名稱叫做“量子隱形傳態(tài)”）。
《星際迷航》中的傳送術(shù)
正如經(jīng)典的信息科學(xué)包括通信和計(jì)算兩大領(lǐng)域，量子信息也可以分為兩大領(lǐng)域：量子通信和量子計(jì)算。
量子通信的內(nèi)容，包括量子密鑰分發(fā)（又稱為“量子密碼術(shù)”或“量子保密通信”）和量子隱形傳態(tài)（即傳送術(shù)）以及“超密編碼”等等。在嚴(yán)格的科學(xué)意義上，量子密鑰分發(fā)并不等于量子通信，而是它的一部分。但是，量子密鑰分發(fā)發(fā)展得最快，已經(jīng)接近產(chǎn)業(yè)化了，例如中國(guó)的若干金融機(jī)構(gòu)在試用量子通信儀器來(lái)傳輸核心數(shù)據(jù)。而量子隱形傳態(tài)以及整個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域，都還處于實(shí)驗(yàn)室演示階段，離實(shí)用非常遠(yuǎn)。因此，媒體上報(bào)道的量子通信，在大多數(shù)情況下指的就是量子密鑰分發(fā)。
下面我來(lái)解釋一下，量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)各自是什么，為什么它們都不能超光速。
先來(lái)看量子密鑰分發(fā)。
要理解量子密鑰分發(fā)，首先要明白什么是“密鑰”。其實(shí)這個(gè)詞很容易理解，它就是日常語(yǔ)言中的“密碼本”，《紅燈記》、《潛伏》等諜戰(zhàn)片中無(wú)數(shù)情報(bào)人員舍死忘生爭(zhēng)奪的那個(gè)東西。說(shuō)得正規(guī)一點(diǎn)，密鑰就是從明文到密文的變換參數(shù)。
紅燈記
發(fā)送方（以下稱為A）和接收方（以下稱為B）如果都有密鑰，而密鑰滿足三個(gè)條件（一通訊，密鑰是一串隨機(jī)的字符串；二，密鑰的長(zhǎng)度跟明文一樣，甚至更長(zhǎng)；三，每傳送一次密文就更換密鑰，即“一次一密”），那么雙方之間的通信就是“絕對(duì)安全”的。這里“絕對(duì)安全”是一個(gè)數(shù)學(xué)用語(yǔ)，它的意思是：敵人即使截獲了密文，也無(wú)法破譯出明文，他能做的最多也只是瞎猜而已。
這聽起來(lái)好像已經(jīng)解決了保密通信問(wèn)題？其實(shí)沒(méi)有。真正的困難在于，怎么把密鑰從一方傳到另一方？現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，需要第三方的信使來(lái)傳遞，而信使可能被抓（如《紅燈記》中的李玉和）或者叛變（如《紅巖》中的甫志高），這麻煩就大了。最好是不通過(guò)信使，AB雙方直接見面分享密鑰。但是如果雙方可以輕易見面，還要通信干什么？！
量子保密通信就是為了解決這個(gè)問(wèn)題而提出的。它做的其實(shí)只有一件事情：不經(jīng)過(guò)信使，通信雙方直接共享密鑰。
怪哉，不通過(guò)信使怎么共享密鑰？關(guān)鍵在于，這里的密鑰并不是預(yù)先就有的，一方拿在手里想交給另一方。在初始狀態(tài)中，密鑰并不存在！
量子密鑰是在雙方建立通信之后，通過(guò)雙方的一系列操作產(chǎn)生出來(lái)的。利用量子力學(xué)的某些特性（“疊加原理”和“測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)性”），可以使雙方同時(shí)在各自手里產(chǎn)生一串隨機(jī)數(shù)，而且不用看對(duì)方的數(shù)據(jù)，就能確定對(duì)方的隨機(jī)數(shù)序列和自己的隨機(jī)數(shù)序列是完全相同的。這串隨機(jī)數(shù)序列就被用作密鑰。
量子密鑰的產(chǎn)生過(guò)程，同時(shí)就是分發(fā)過(guò)程，——這就是量子保密通信不需要信使的原因。
雙方都有了密鑰之后，剩下的事情就跟經(jīng)典的通信完全相同了：A把明文用密鑰編碼成密文，然后用任意的通信方式發(fā)給B。“任意的”通信方式的意思就是“怎么都行”：可以用電話，可以用電報(bào)，可以用電子郵件，甚至用平信都行。量子保密通信的特別之處，只是讓雙方不經(jīng)過(guò)信使直接分享密鑰，僅此而已。這就是為什么它的專業(yè)名稱叫做量子密鑰分發(fā)。
現(xiàn)在我們可以明白，量子保密通信的過(guò)程分為兩步：第一步是量子密鑰分發(fā)，第二步是密文的通信。第二步跟常規(guī)的通信完全一樣，所以不會(huì)超光速。既然如此，整個(gè)過(guò)程自然也就不會(huì)超光速通訊，無(wú)論第一步有多快。實(shí)際上，第一步也不會(huì)超光速，因?yàn)樗膶?shí)際操作一般就是發(fā)送和接收單個(gè)光子，速度就是光速，不過(guò)這個(gè)具體過(guò)程我們就不在這里展開講了。
再來(lái)看量子隱形傳態(tài)。
什么是量子隱形傳態(tài)？這是一種在1993年提出的方案，把粒子A的未知的量子態(tài)傳輸給遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子B，讓B粒子的狀態(tài)變成A粒子最初的狀態(tài)。科幻電影里經(jīng)常出現(xiàn)的傳送術(shù)，把人biu地一聲就傳到另一個(gè)地方，原型就是量子隱形傳態(tài)。
請(qǐng)注意，隱形傳態(tài)傳的是狀態(tài)而不是粒子，A、B的空間位置都沒(méi)有變化，并不是把A粒子傳到遠(yuǎn)處。好比A處有一輛汽車或一個(gè)人，不是把這輛汽車或這個(gè)人搬到B處，而是把B處本來(lái)就有的一堆汽車零件或原子組裝成這輛汽車或這個(gè)人。
有人要問(wèn)了：那豈不得到了相同的兩輛汽車？?jī)蓚€(gè)人？！哪個(gè)是真正的自己？！在為倫理問(wèn)題詩(shī)興大發(fā)前，一句話就可以消滅這個(gè)問(wèn)題：不會(huì)出現(xiàn)相同的兩個(gè)人。大自然早有安排，杜絕了這種可能性。在隱形傳態(tài)中，當(dāng)B粒子獲得A粒子最初的狀態(tài)時(shí)，A粒子的狀態(tài)必然改變。任何時(shí)刻都只能有一個(gè)粒子處于目標(biāo)狀態(tài)，所以只是狀態(tài)的移動(dòng)，而不是復(fù)制。一定要說(shuō)復(fù)制的話，也是一種破壞性的復(fù)制。好比武俠小說(shuō)中前輩把功力傳給主角，傳完前輩就沒(méi)有功力了，而不是出現(xiàn)兩個(gè)高手。在宏觀世界復(fù)制一本書或一個(gè)電腦文件是很容易的，在量子力學(xué)中卻不能復(fù)制一個(gè)粒子的狀態(tài)，這是量子與經(jīng)典的一個(gè)本質(zhì)區(qū)別。
很多人聽說(shuō)量子力學(xué)中狀態(tài)的變化是瞬時(shí)的，無(wú)論兩個(gè)粒子相距多遠(yuǎn)，于是認(rèn)為隱形傳態(tài)可以biu地一聲把人傳到任意遠(yuǎn)的地方，超過(guò)光速，推翻相對(duì)論。很遺憾，這個(gè)理解又是錯(cuò)誤的。量子力學(xué)中狀態(tài)的變化確實(shí)是瞬時(shí)的，但是隱形傳態(tài)的方案中有一步是把一個(gè)重要的信息（可以理解為一個(gè)密碼）從A處傳到B處，利用這個(gè)信息才能把B粒子的狀態(tài)變成目標(biāo)狀態(tài)。這個(gè)信息需要用經(jīng)典信道（例如打電話、發(fā)郵件）傳送，速度不能超過(guò)光速，所以整個(gè)隱形傳態(tài)的速度也不能超過(guò)光速。
許多人以為隱形傳態(tài)是先掃描出A處的物或人的狀態(tài)，再在B處組裝一個(gè)相同的物或人。非也非也。如果要先知道目標(biāo)狀態(tài)，那還有什么意思？隱形傳態(tài)是在不知道A粒子的狀態(tài)的情況下，把B粒子變成這個(gè)狀態(tài)！就像送快遞，不知道送的是什么東西，但保證原原本本地送到。
總而言之，量子隱形傳態(tài)是以不高于光速的速度、破壞性地把一個(gè)粒子的未知狀態(tài)傳輸給另一個(gè)粒子。打個(gè)比方，用顏色表示狀態(tài)，A粒子最初是紅色的，通過(guò)隱形傳態(tài)，我們讓遠(yuǎn)處的B粒子變成紅色，而A粒子同時(shí)變成了綠色。但是我們完全不需要知道A最初是什么顏色，無(wú)論A是什么顏色，這套方法都可以保證B變成A最初的顏色，同時(shí)A的顏色改變。
結(jié)論：無(wú)論是通過(guò)量子密鑰分發(fā)還是量子隱形傳態(tài)來(lái)傳輸信息，都不能超光速。
