今天和大家聊一聊“量子通信”。在这里，首先申明一点：我们只解决几个概念性问题，仁者见仁，智者见智，而不争辩“量子通信”是真科学还是伪科学？

2018年8月16日凌晨由我国自主研制的世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”顺利发射升空，这次成功地发射不仅使中国进入相关科学研究的前沿领域。更重要的是它有望实现全球量子保密通信开启人类保密通讯的新纪元。

那么问题就来了：

问题一：为什么量子通信如此火爆？为什么量子通信卫星会受到世界的如此高度的关注呢？

大家都知道，有人类社会，就有人与人之间的沟通，从烽火台、狼烟、击鼓、旗语、飞鸽传书，再到电话、电报、互联网。

其一体现在量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信息；

有了通信，就要有通信保密的需求，通信保密的重要性不言而喻，毕竟艳照门、棱镜门、美军击杀山本五十六等一大波经验教训历历在目。

人们一直在想，是否存在一种安全传输信息的方法？

大佬们主要有两种思路：一种是线路加密，比如在A和B之间拉一条线路，并在沿线布满岗哨，这样就确保信道安全，甚至无需再对信息加密。但是，这种方法效率太低，不太现实。

另一种就是信息加密，就是把封装信息加上密钥后再通过公共信道传递，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，因为只有对面拿着钥匙的人才能打开箱子，这就是目前的传统加密方式。

关于密钥，以前是密码本，后来是密码机，再后来就是RSA等加密算法。这些密钥体系都是通过增加计算复杂性来保证安全的。

以前，因为计算能力有限，设计一个算法很快，破解一个算法很慢，难度很大，时间很长。但是现在，有了计算机，超级计算机，计算能力越来越强大，破解算法的速度非常快。

再者，从历史来看：

RSA512算法在1999年就被破解；RSA768在2009年被破解；MD5和SHA-1两大密算也已告破。

面对破解难度增加的算法，超级计算机破解只是时间问题。传统计算机尚且可以，在量子计算机面前，传统算法根本没有能力抵抗。而量子通信却为人们带来了新的思路。

量子通信理论上可以超过光速，这是目前人类已知的唯一一项可以超过光速的东西。更重要的是，经典通信较光量子通信相比，其安全性和高效性都无法与之相提并论。关于量子通信安全性，主要体现在一下几个方面：

其一体现在量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信息；

其二，分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中一个粒子的量子态发生变化，另外一方的量子态就会随之立刻变化，并且根据量子理论，宏观的任何观察和干扰，都会立刻改变。

总而言之，量子通信技术，已知的通讯技术中保密性最好的。如果能成功商用、军用，带来的价值可以说无法估量，也可以确定是远超投入。毫不夸张的说，我国在这方面吊打全世界的希望是有希望的，也是值得骄傲的事情。

问题二：什么是量子？

量子，是一个物理量存在最小的不可分割的基本单元，我们经常听说的中子、电子、光子等物理粒子都统称为量子。

所谓“量子化”，就是指物理量的数值是一份一份的，离散而非连续。例如，光是由光子组成的，光子就是一种量子，且不存在1/2个光子、1/5个光子的说法。

我们还要理解，量子具有不可分割性，也就是说量子已经是个最小整体了，不能再切得更小了。

量子态是质子、中子、原子等基本粒子的具体状态，可以代表粒子旋转、能量、磁场或某个物理特性。量子态的粒子会呈现明显的波粒二象性。

牛顿力学指出：要确定并预测物质或粒子的状态就需要描述位置和速度（或能量）。

然而量子世界却偏偏不一样，速度和位置形成“叠加态”，速度测量越准确，位置测量越不准确，反之亦然，二者此消彼长。

这正是海森堡提出的测不准原理：互不对易的两个量子力学量不可能同时具有确定的值，其中一个量越精确，另一个量的不确定程度就越大。如动量与位置，能量与时间等。

其实，量子世界跟宏观世界最大的区别，就是量子有多个可能状态的叠加态。

在宏观世界里，1就是1，2就是2。而在量子世界中，一个状态可以存在于1和2之间，它既不是1，也不是2，但它既是1，又是2。理解起来，就如同薛定谔的小猫咪。

另外，大佬们还提出一个量子不可克隆定理，表明未知量子态无法进行准确地克隆。这个比较复杂，就不再展开了。

量子不可分割、量子态不可克隆、测不准原理正是量子通信安全性的物理基础。说到这里，大家是不是觉得一脸懵逼，那就对了，说明我们都在进步。

问题三：什么叫量子通信？

量子通信是量子信息的一个重要分支。所谓量子通信，就是利用量子力学原理对量子态进行操控，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。

量子通信主要分两种：

1.“量子隐形传态”，是利用量子纠缠直接传送量子信息的最基本单位--量子比特。量子隐形传态是为了给未来的量子计算机之间的通信使用。”

2.“量子密钥分发”，是利用量子的不可克隆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，属于解决密钥问题。

目前来看，由于量子密钥分发是唯一接近实用的，所以当媒体报道“量子通信”的时候，他们实际上指的就是量子密钥分发。量子通信体系架构包括量子态发生器、量子信道和量子测量装置以及经典信道等部分。

量子通信过程可以从发送端和接收端两个角度来理解。

发送端：量子信源模块产生消息，消息通过量子编码模块转换成量子比特，量子比特通过量子调制模块得到以量子态为载体的量子信息，量子信息通过量子信道进行传输。

除此以外，量子调制的模式信息（经典信息）需要使用经典信道进行传输。

接收端：将接收到两部分信息：量子信道接收量子信息；经典信道接收经典信息。这两部分信息通过解调和解码模块后，获得最终的消息。

问题四：什么叫量子密钥分发？

量子密钥分发（QKD）不是用于传送保密内容，而是在于建立和传输密码本，即在保密通信双方分配密钥，俗称量子密码通信。

1984年，Bennett和Brassart提出著名的BB84协议，即用量子比特作为信息载体，利用光的偏振特性对量子态进行编码，实现对密钥的产生和安全分发。

BB84协议被证明是迄今为止无人攻破的安全密钥分发方式，能够在两个相距较远的用户之间实现无条件安全的密钥共享，然后通过“一次一密”的加密方式完成信息的安全传输。

在BB84协议中，首先要做的是把比特信息编码成量子态，以偏振编码为例，选择两组基：基和基来编码信息，其中，0°水平基和90°垂直基可表示Z基，45°倾斜基和-45°倾斜基可表示X基。

BB84协议的具体实现步骤为：

1.发送方Alice随机选择X基或Z基，对要发送的比特信息进行编码，并记录编码所使用的基，然后将编码后的量子态通过量子信道发送给接收端Bob。

2.接收方Bob随机选择X基或Z基对接收到的量子态进行测量，并记录使用的测量基。在理想状态下，如果Bob和Alice选择的基相同，则Bob测量结果有效，如果选择的基不同，则测量结果无效。

3.Bob将测量基发送给Alice，Alice将自己选择的编码基与Bob的测量基一一对应比较，然后告诉Bob在哪些位置他们使用的基相同。Alice和Bob只保留相同的基所对应的比特，称为原始密钥。若不存在窃听和噪声，Alice和Bob共享的原始密钥完全一样。

4.Alice和Bob随机地公开一部分原始密钥，来估计QKD过程的误码率，从而判断是否存在窃听行为。如果原始密钥的误码率超过某一阈值，则说明 QKD过程中存在窃听，立即中断此次操作；若是误码率在阈值的范围内，则继续进行数据纠错和隐私放大，得到最终的安全密钥。

问题五：什么叫量子隐形传态？

量子隐形传态，是利用量子纠缠的不确定特性，将某个量子的未知量子态通过纠缠（EPR）量子对中的一个量子传送到另一个地方，而原来的量子仍留在原处。

1.制备纠缠量子对，然后将其分开，Alice和Bob各持一个，分别是粒子1和粒子2。

2.Alice粒子1和某一个未知量子态的粒子3进行联合测量，然后将测量结果通过经典信道传送给Bob。

粒子3携带一个想要传输的量子比特。于是A点的粒子1和B点的粒子2对于粒子3一起会形成一个总的态。在Alice处同时测量粒子1和粒子3，会得到一个测量结果。

此时，神奇的事情发生了：Bob持有的粒子2将随着Alice测量同时发生改变，由一个量子态变成新的量子态。这是由于量子纠缠的作用。

3.Alice利用经典信道（如电话或短信等）把自己的测量结果告诉B点一方。

4.Bob收到测量结果后，就知道了本地粒子2处于哪个态。只要对粒子2稍做一个简单的操作，它就会变成粒子3在测量前的状态。也就是粒子3携带的量子比特无损地从Alice传输到了Bob，而粒子3本身只留在Alice处，并没有到Bob处。

以上就是通过量子纠缠实现量子隐形传态的方法，即通过量子纠缠把一个量子比特无损地从一个地点传到另一个地点。

需要注意的是，由于步骤3是经典信息传输而且不可忽略，因此它限制了整个量子隐形传态的速度，使得量子隐形传态的信息传输速度无法超过光速。

因为量子计算机直接处理量子比特，于是量子隐形传态和量子计算机终端将可以构成纯粹的量子信息传输和处理系统，即量子互联网。

这也将是未来量子信息时代最显著的标志。

最后，我们再介绍一下量子通信的发展。

1993年，首次提出量子通信的概念。

1997年，首次实现未知量子态的远程传输。

2012年，首次成功实现了百公里级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。

2016年，世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射。

2017年，世界首个大型商用量子通信专网在济南测试成功，全球首条量子通信信道“京沪干线”成功投入使用。

尤其这两年，从城域到城际，从陆地到卫星，量子通信发展非常迅速。可以想象，十多年以后整个量子领域通讯的市场和我们现在整个移动设备的市场。甚至整个互联网的市场规模相当的时候，那么将是一个多大的和要创造多么巨大的财富啊。

终于讲完了，真的是太烧脑了，，小伙伴们是否有收获呢？

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