什么是量子通信技术？

据报道，量子通信是利用量子力学原理对量子态进行 *** 控的一种通信形式，可以有效解决信息安全问题，近年来，随着量子的各种奇妙特性被科学家不断认识，实用的新技术也被逐渐开发出来，量子通信就是其中之一。

报道称，专家表示，量子通信是量子信息学的一个重要分支，它利用量子力学原理对量子态进行 *** 控，在两个地点之间进行信息交互，可以完成经典通信所不能完成的任务，量子通信是迄今唯一被严格证明无条件安全的通信方式，可以有效解决信息安全问题。

据悉目前量子通信分为两种，一种是量子密钥分发；另外一种是量子隐形传态。前者是利用量子的不可复制性以及测量的随机性来生成量子密码，给传统的数字通信加密；而后者则是利用量子纠缠直接传送量子比特。

虽然在全球量子通信竞赛中，中国起步并非最早，但是在科学家们的不懈努力下，目前中国在量子通信领域已经实现了“弯道超车”。

如下：

首先，量子通信技术可以保证信息传输的安全性。通过这项技术，人们可以有效地实现QKD，并通过量子态的物理特性（如不可重复、不可分割和不确定）确保其安全性。由于QKD提供的是对称密钥，它可以使用现代密码学算法来获取，从而充分揭示信息的保密性。

其次，量子通信技术还可以传输量子状态，即量子态。由于其有效性，传统的通信技术无法被取代。有了这个功能，未来可以提供量子传感器或量子计算机。

第三，量子通信技术可以增加信道的带宽。量子混叠可以用来处理相关的信息，并且可以设计一种新的编码技术来克服信道容量的限制。目前，在研究量子信道容量的过程中，有很多理论上的证明，如超紧凑量子编码。量子通信技术有很多功能，主要涉及量子存储介质，这将大大促进量子信息和通信信道的工作。

量子通信技术是最安全的人工通信技术。惊人的量子连接，但我们通常学到的东西却完全不同。这是通信领域的一个颠覆性创新。虽然量子通信目前仍处于实验状态，但这并不妨碍我们对这种新的通信形式的期待。

与传统通信技术相比，量子通信的特点和优势在于它具有更高的时效性，更好的抗干扰性，更可靠的保密性，以及要求更低的噪音。量子通信线路的延迟几乎为零，信息传输率高，过程可用性高；量子通信、信息传输和大众传媒之间的通信不受空间环境的影响，具有良好的抗噪性。

北京时间1月7日凌晨，中国科学技术大学潘建伟团队在《自然》杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”的论文，验证了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。

中国科学技术大学教授潘建伟表示：“我们的工作表明，量子通信技术对于大规模的实际应用已经足够成熟。类似地，如果把来自不同国家的国家量子网络合并在一起，并且如果大学，机构和公司聚集在一起以标准化相关协议、硬件等，则可以建立全球量子通信网络。”

目前该天地一体化量子通信网络已经接入包括金融、电力、政务等150多家行业用户。2019年初，国家电网有限公司基于该网络，建立了跨越2600公里的量子密钥分发信道，实现了电力通信数据加密传输，首次从工程上检验了星地量子通信开展实际业务的可行性。

“本工作发展的相关技术也为量子通信系统小型化、低成本、国产化奠定了基础。”中国科学技术大学方面表示，“最近团队成功研制了重量约百公斤的小型地面站，实现了与墨子号的星地量子密钥分发实验，和国际多个地面站的进行了星地量子密钥分发实验，未来有望进一步做到可单人搬运；同时，在保证密钥分发速率的前提下已经成功研制几十公斤的小型化空间量子密钥分发载荷，这些成果也为形成卫星量子通信国际技术标准奠定了基础。”

量子科技是利用量子态对信号变化灵敏度高的特征而产生的新技术！

量子科技主要应用于雷达，磁力仪等对微弱信号敏感的领域！

量子纠缠通信可解决航天黑障电磁波不能通信问题与潜航器保密通信问题以及行星际飞行器信号弱问题！

量子纠缠通信是点对点，无电磁波发射，无延时，无限制距离，可穿透电磁屏敝，无法侦测的优点！在航天与军事领域极重要！

航天飞机要与地面通信必须钻孔安装外部天线，隔热瓦就做不到全履盖！哥伦比亚号空中解体，七名航天员丧生！

如果航天飞机使用量子纠缠通信，就不用钻孔了，隔热瓦就可以全履盖了！航天飞机的安全性就大大的增加了！

量子测控是对量子纠缠原理的新的应用！可以对冥王星轨道飞行器直接测控，也可以对登陆机器人直接测控！是点对点的，无需使用中继设备！

量子计算方面连80286都比不上，量子计算机不能串并联，无法组网，量子数增加会产生高温导致量子态不稳定！

这意味着由我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射，除了用这枚卫星进行一些科学实验外，还将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。这也将是跨度最大、史上最安全的通信网络。

提到“量子”一词，大多数人想到的可能是玄之又玄的量子物理，以及爱因斯坦那句著名的“上帝不掷骰子”的断言。在我们的过往印象中，量子物理经常与“不确定性”、“测不准”等词汇联系在一起，然而我们又知道，通信最重要的就是稳定、安全、可靠。那么，量子与通信，表面上互相矛盾的两个东西是如何联系到一起的呢？要了解这一点，我们还是先从传统通信为什么需要“量子”说起吧。

传统通信的局限性

众所周知，密码这东西现在已经充斥了我们的生活。像网购转账、登陆微信，甚至在我们看不见的信息传输途中，都需要用到密码，因为它能保证通信和交易的安全。不过，有了加密，就有破解密码的人，这对死敌的角力始终贯穿在我们整个通信的 历史 中。尤其在战争年代，解密的成功与否甚至足以影响最终的战局。在二战期间，美军正是因为破解了日军电报的加密方式，从而掌握日军高层的行踪，最终成功击杀了其海军总司令山本五十六，为太平洋战争的获胜奠定了基础。除此之外，直接窃听和截获信息也是很常见的泄密方式。如**《窃听风云》讲述的正是通过窃听他人通信而发生的一系列故事。

人们一直在想，是否存在一种安全传输信息的方法呢？我们可以总结一下，“使通信保密”的思路其实有两种。一种是物理加密，比如在A和B之间拉一条专线，专线中间布满岗哨，任何想截获信息的间谍必须在光缆上做手脚才能窃听，而这必然会被哨兵拿下。在这种确保安全的信道中，我们甚至无需对信息加密，直接用明文交换信息就可以了。但是，用物理隔离的方法终究不现实，它的效率低，成本高，距离有限，只有少数重要且有条件的岗位才用得起这种方式。

另一种是信息加密，就是把封装信息加上密码后通过公共信道传递，这相当于把它放在一个带锁的小箱子里进行运输，沿途就算被人截留了也没关系，因为只有对面拿到钥匙的人才能打开箱子，从而获取信息，这种做法就是我们目前常用的传统加密方式。

只是现有的密码体系还是通过增加计算复杂性来保证安全。例如应用最广泛的密码算法RSA，用的是两个非常大的质数的乘积来建立密钥。众所周知，对于两个大质数乘积进行因式分解，除暴力穷举外并无更好的方式。资料显示，用现有最快的传统计算机对一个500位的RSA密钥进行穷举破解，耗时将达到百亿年——几乎等于不可破解。

但从理论上讲，只要有足够先进的计算机，任何有限长度的密码都可以被破译。随着计算机技术更新迭代，接下来可能出现更快更强的计算机，比如研发中的量子计算机等。在那时候，如果无法升级出对应的加密方式，那么原有的密码将不再安全，金融系统和个人隐私等领域都将彻底陷入混乱。

面对未来可能出现的困境，人们需要找出新的加密手段。此时，量子物理的发展为人们带来了新的思路。

从量子货币到量子保密通信

20世纪初，量子物理学取得了长足发展。在物理学家不断刷新对量子力学认知的同时，当时的密码学家忽然意识到一个问题：利用量子不可分割、不可复制的特性，人类是否有可能发展出一种永不陷落的安全体系？

20世纪60年代末，美国哥伦比亚大学的斯蒂芬·威斯纳（Stephen Wiesner）提出了在今天看来仍十分超前的量子货币概念。量子货币的理论基础是“海森堡不确定性原理”及其推论“不可克隆定理”。用通俗的话解释，他打算在钞票上放置“囚禁”光子的装置，通过检测光子独一无二的偏振方向来验证钞票真伪。这种做法在理论上确实可以制造出不可伪造的钞票，然而它的缺点也一目了然——验证真伪所需要付出的代价太高，成本比钞票本身的面额还大得多。威斯纳的想法最终被认定为过于超前，多家学术期刊拒绝了他的论文。

前面说到，量子有两项特性，一个是不可分割，一个是不可复制。本内特指出，因为光量子具有不可分割性，所以在单光子发射的情况下，窃听者不可能采用将光子分成两半，一半用于获得密钥，一半传输给接收方的方式来避免被发现。与此同时，因为光量子是无法准确被测量的，所以不能被窃听者复制。换句话说，窃听者无法通过准确测量光子，克隆出一个一模一样的量子来获取信息。也就是说，在量子通信的范畴内，只要窃听者窃取信息就必定会被发现，这是它相较传统通信技术的一大改变。

1997年，奥地利科学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的经典之作。当时，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟正在奥地利留学，跟随导师蔡林格参与了整个实验。回国后，潘建伟在中国科学技术大学组建了量子信息实验室，经十余年耕耘，目前，潘建伟团队已成为世界范围内量子信息实验领域的领头羊。这次上天的“墨子号”卫星正是这个团队的最新杰作。

量子通信是如何实现的？

说了这么多，那么量子通信到底是如何实现的呢？在解释前，我们首先要清楚两个概念。

第一个概念是光的偏振。我们知道光具有波动性，也就是光在传播过程中，是一边振动，一边往前走，振动可以是空间内垂直于传播方向的任意方向。但是我们可以在中途加一个偏光器，让振动方向垂直偏光器的光才能通过。这样一来，通过的光亮度会大大减弱，从而减少眼睛的负担，这个技术在太阳眼镜、电脑显示器和照相机中都有应用。

第二个概念是基底，就是空间维度的轴。在二维空间上，它是X和Y，在三维空间则是X、Y、Z这三轴。让我们试着在脑内构建两个不同的基底，一个是水平X轴、垂直Y轴的水平垂直基底，另一个是倾斜45°，呈X形状的斜45°基底。我们把这两组基底想象成偏振器，那么当一束光通过某个基底后，只有这个方向偏振的光子被保留下来，也就是说这个光子的偏振状态是唯一的。好比一根绳子穿过篱笆，抓住一头上下甩动，篱笆对于绳子就像“透明”的，不会干扰绳子摆动，但如果你左右摆动，绳子的波就被篱笆阻挡了。

明确了这两个概念后，我们来看如何实现从A到B的密钥传输。

首先，发信人A用水平垂直基底和斜45°基底对光子进行制备，并对制备后的偏振状态进行赋值。比如分别把他们在X轴偏振的光子记为1，Y轴偏振的记为0。也就是说，从水平垂直基底上筛出的光子，如果偏振状态表现出是0°，则代表二进制数1；如果是90°，则代表二进制数0。另一种基底也是同样道理。

之后，A随机选择一批具有一定偏振状态的光子，通过正常的信道逐个发送给收信人B。此时，光子的赋值可以记作一个长度为N的二进制串。B在接收到A的光子后，随机选择一种基底进行测量。如果B和A选择的是一样的基底，那么测出来的结果就会跟A的赋值一样。如果选错了基底，光子就会无法通过，从而呈现出完全随机的表现。因为只有0和1这两种赋值，所以在这种情况下，错误率是50%。

随机脉冲序列密匙

在这之后，B把测量结果通过其他信道，比如公开打电话之类的，跟A进行核对。他不需要告诉A具体收到什么结果，只要告诉A他选取了什么基底就足够了。这样就能剔除错误结果，保留正确的结果，从而形成长度为M（M<n）的二进制串，成为原始密钥。< span="" style="box-sizing: border-box;"></n）的二进制串，成为原始密钥。<>

这时，A已经知道B测量光子用的基底序列，那么他再次发送随机脉冲序列时立刻就知道B的哪些是对的，哪些是错的。于是每次A给B发随机脉冲时，同时附上一份对错序列表。B收到脉冲以后，用对错表跟自己的测量结果进行比对。这样一来，他就知道哪几位上的数字是对的，从而获得正确的密钥。

那么，问题来了，为什么对于这样的通信，旁人无法窃听？我们可以试着罗列出不同的可能性。

首先，如果选择在A传送光子时进行窃听，那么必然要对光子进行测量，由于A对基底的选择是随机的，窃听者不可能正好跟A选择一样的一组基底，假设有两组基底作为备选，每一次选择正确的概率只有1/2，如果这个基底序列达到20位，那就是1/2的20次方，序列越长，正确率越低，窃听者从而无法获得正确的密钥。

同时，由于窃听者对光子进行了观测，根据量子物理的理论，这种行为会干涉它的状态，从而导致它的偏振发生改变。B收到光子后，跟A进行核对，发现错误率明显提高了。说明中途肯定被别人窃听了，所以这条信道就不安全了，二者将停止通信。

如果是直接截获并克隆A和B之间的信息传输，然后慢慢研究呢？很抱歉，这也是不可能的。从“克隆”的意义上说，要想精确地复制一个物品，首先就要测量这个物品的所有信息。然而，对一个遵循量子规律的系统，我们不可能同时精确测量它的所有物理量，因为根据“海森堡测不准原理”，在同一时刻，不可能以相同精度测定量子的位置与动量，我们只能精确测定两者之一。那么，窃听者就算截获了A发送的光子，也无法完美复制出一个一模一样的给B，这样同样会导致窃听暴露。

即便窃听到了B的基底测量序列，并获得了A发送的对错表——这是有可能的，毕竟这些两步沟通都是通过经典信道完成——可窃听者也无法知道B的测量结果是什么。即便获得了B的测量结果，但正式通信时，窃听者也只有把光子拦截下来，再对照A的对错表才能知道密钥是什么。但这样一来，B就收不到光子了，窃听行为同样会暴露。

在这种情况下，由于光子是逐个发送的，一旦发现有一个光子失联，B可以随时中止通信，让窃听者收不到后面的信息，从而无功而返。

由此可见，从理论上讲，量子保密通信可以保证信道的绝对安全，不仅不易被窃听到信息，并且即使有人窃听的话，也可以在第一时间发觉，进而及时中断通信。由于它的这种高保密性的特点，量子通信有望应用到各种高密级的远程会议中。

量子通信的未来

当然，理论上绝对安全的量子保密通信，在实际应用中也存在漏洞，因为在单光子传送过程中会有噪音干扰，不存在理想状态那种绝对干净的信道。所以A必须发送多个携带相同信息的光子脉冲序列给B，保证他能够接收到其中一条。这时，窃听者可以伪装成噪音，截获其中一条，再按照之前提到的思路，从公共信道窃取B的基底序列和A的对错表，对照之后，一样可以获得正确的信息。但这里面涉及到了密码学中的降噪、诱骗态方案等问题，已经不属于量子通信本身的范畴，它需要我们通过其他方面的努力去克服，比如建设更好的信道等，在这里就不展开阐述了。

由于量子保密通信本身具有超高安全性的特点，它最适合的应用就是在军事需求方面，因此在研究初期，它得到我国国防经费的大力投入，在研究实力方面，军方的量子通信技术一向是最高的。

现在，随着技术的成熟，量子通信开始向民用领域拓展，实现科学技术转化成生产力。日前发布的《2016~2020年中国量子通信行业深度调研及投资前景预测报告》指出，量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有重大的应用价值和前景，不仅可用于军事、国防等领域的国家级保密通信，还可用于涉及秘密数据和票据的电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政以及企业云存储、数据中心等领域，而技术相对成熟，未来市场容量极大。这份报告为我们勾画出未来量子通信应用的蓝图。

在这幅未来图景中，随着“墨子号”的顺利发射，我国对量子通信技术的应用即将进入新阶段。“墨子号”将首次实现卫星和地面间量子通信，初步构建我国广域量子通信系统，并推动量子通信在广域网无线加密中的发展。与此同时，陆地上的量子保密通信也在逐步走入产业化阶段，正在进行中的项目包括下半年即将完工并开通的“京沪干线”，以及沪杭量子通信干线，陆家嘴量子通信金融网、乌镇量子通信城域网等。

而且根据规划，在“墨子号”发射成功后，我国还将发射多颗卫星，于2020年实现亚洲与欧洲的洲际量子通信，届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右，我国有望建成全球化广域量子通信网络。

届时，这个天地一体的量子通信网络将代替传统加密方法，成为新的信息卫士，渗透到各个领域之中，默默守护我们的信息安全和个人隐私。

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