量子通信是量子信息學(xué)的一個(gè)重要分支量子通信是基于量子糾纏技術(shù)，通過(guò)量子糾纏產(chǎn)生的鏈?zhǔn)叫?yīng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸這種通信方式利用量子力學(xué)原理操縱量子態(tài)，在兩地之間交換信息，可以完成經(jīng)典通信無(wú)法完成的任務(wù)量子通信是迄今為止被嚴(yán)格證明是無(wú)條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問(wèn)題。

量子通信的核心是以量子態(tài)對(duì)信息進(jìn)行編碼和傳輸，其通信過(guò)程遵守量子不確定性原理、量子力學(xué)的基本物理原理，如量子相干疊加量子非局域性等，都是基于量子力學(xué)中的不確定性、測(cè)量崩潰和不可克隆三大原理提供了無(wú)法被竊聽(tīng)和被計(jì)算破解的安全性量子通信主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)。

量子隱形傳態(tài)是基于量子糾纏對(duì)的分布和貝爾態(tài)的聯(lián)合測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的信息傳輸，其中量子態(tài)信息的測(cè)量和確定仍然需要現(xiàn)有通信技術(shù)的輔助。量子隱形傳態(tài)中糾纏對(duì)的制備、分布測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)有待突破，處于理論研究和實(shí)驗(yàn)探索階段，離實(shí)用化還有較大差距。 量子密鑰分發(fā)又稱量子密碼，通過(guò)量子疊加態(tài)的傳輸測(cè)量實(shí)現(xiàn)通信雙方安全的量子密鑰共享，然后通過(guò)一次一密的對(duì)稱加密系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加安全保密的通信，即通信雙方使用與明文長(zhǎng)度相同的密碼逐位加密解密。

2023年3月9日，北京量子信息科學(xué)研究院袁志良團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)量子密鑰分發(fā)開(kāi)放式新架構(gòu)，利用光頻梳技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)615 km光纖量子通信。這種架構(gòu)既能保證量子通信的安全性，又能大大降低系統(tǒng)建設(shè)成本，為在國(guó)內(nèi)建設(shè)多節(jié)點(diǎn)廣域量子網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

光是有波動(dòng)的，也就是在傳播的過(guò)程中，一邊前進(jìn)一邊振動(dòng)振動(dòng)可以在垂直于空間傳播方向的任何方向上。但是我們可以在中途加一個(gè)偏振鏡，讓垂直于振動(dòng)方向的偏振鏡發(fā)出的光可以通過(guò)。這樣，通過(guò)的光線亮度會(huì)大大減弱，從而減輕眼睛的負(fù)擔(dān)。

在二維空間是X和Y，在三維空間是X、Y、z軸，把這兩組基板想象成偏光片當(dāng)一束光通過(guò)襯底時(shí)，只有這個(gè)方向偏振的光子被保留下來(lái)，也就是說(shuō)，這個(gè)光子的偏振態(tài)是唯一的。It 就像一根穿過(guò)柵欄的繩子，抓住一端，上下擺動(dòng)?xùn)艡诰拖褚粭l繩子“透明”是的，它贏了不干涉繩子擺動(dòng)，但是如果它左右擺動(dòng)，繩子的波動(dòng)就會(huì)被柵欄擋住。

以A到B的密鑰傳輸為例：

首先，發(fā)送方A用水平垂直襯底和傾斜45°襯底制備光子，制備后指定偏振態(tài)。比如它們?cè)赬軸偏振的光子記為1，在Y軸偏振的記為0。也就是說(shuō)，如果偏振態(tài)看起來(lái)是0，那么從水平和垂直襯底中篩出的光子代表二進(jìn)制數(shù)1；如果是90，代表二進(jìn)制數(shù)0。之后，A隨機(jī)選取一批具有一定偏振態(tài)的光子，通過(guò)正常信道逐一發(fā)送給接收機(jī)B。此時(shí)，光子的分配可以記錄為長(zhǎng)度為n的二進(jìn)制字符串。b接收到a的光子后，隨機(jī)選擇一個(gè)襯底進(jìn)行測(cè)量。如果B和A選擇相同的底物，測(cè)量結(jié)果將與A 的作業(yè)。如果選擇了錯(cuò)誤的基底，光子將不會(huì)通過(guò)，表現(xiàn)出完全隨機(jī)的性能。因?yàn)橹挥?和1兩個(gè)賦值，所以在這種情況下錯(cuò)誤率是50%

之后，B通過(guò)其他渠道，如公用電話，與A核對(duì)測(cè)量結(jié)果。他沒(méi)有不需要告訴A他得到了什么結(jié)果，只需要告訴A他選擇了什么底物。這樣就可以剔除錯(cuò)誤的結(jié)果，保留正確的結(jié)果，從而形成長(zhǎng)度m（Mn）的二進(jìn)制字符串成為原始密鑰。此時(shí)，A已經(jīng)知道了B測(cè)量光子所用的底物序列，所以A每次給B發(fā)送隨機(jī)脈沖時(shí)，都會(huì)附上一個(gè)序列對(duì)錯(cuò)的列表。接收到脈沖后，B將誤差表與自己的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。這樣，他知道哪些數(shù)字是正確的，從而獲得正確的密鑰。

一般來(lái)說(shuō)，量子通信有兩種，一種是量子隱形傳態(tài)；一個(gè)是量子密鑰分發(fā)。前者利用量子的不可復(fù)制性和測(cè)量的隨機(jī)性產(chǎn)生量子密碼，對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字通信進(jìn)行加密；而后者利用量子糾纏直接傳輸量子比特。量子隱形傳態(tài)是為了未來(lái)量子計(jì)算機(jī)之間的通信。

量子隱形傳態(tài)是基于量子糾纏對(duì)的分布和貝爾態(tài)的聯(lián)合測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的信息傳輸，其中量子態(tài)信息的測(cè)量和確定仍然需要現(xiàn)有通信技術(shù)的輔助。量子隱形傳態(tài)中糾纏對(duì)的制備、配送計(jì)量等關(guān)鍵技術(shù)需要突破目前都處于理論研究和實(shí)驗(yàn)探索階段，離實(shí)際使用還有很大差距。

量子密鑰分發(fā)又稱量子密碼，是通過(guò)量子疊加態(tài)的傳輸測(cè)量，實(shí)現(xiàn)通信雙方安全的量子密鑰共享，然后通過(guò)一次一密的對(duì)稱加密系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)條件的安全秘密通信，即通信雙方使用與明文長(zhǎng)度相同的密碼進(jìn)行逐位加密和解密。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，量子密鑰分發(fā)從理論協(xié)議到器件體系已經(jīng)趨于成熟，現(xiàn)在已經(jīng)有了小規(guī)模的試點(diǎn)應(yīng)用和初步的產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信已經(jīng)成為未來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)信息安全的一種非常有潛力的技術(shù)手段，是量子通信理論和應(yīng)用研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

量子態(tài)隱形傳輸

因?yàn)榱孔蛹m纏是非局域的，即無(wú)論兩個(gè)糾纏粒子相距多遠(yuǎn)，測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)必然會(huì)同時(shí)得到另一個(gè)粒子的狀態(tài)這“信息”的獲取不受光速的限制。利用這種跨越空間的糾纏態(tài)來(lái)傳輸信息，基于量子糾纏態(tài)的量子通信應(yīng)運(yùn)而生這種利用量子糾纏態(tài)的量子通信是“量子隱形傳態(tài)”Quantum teleportation）

量子隱形傳態(tài)的過(guò)程（即傳輸協(xié)議）一般分如下幾步：

1）制備一個(gè)糾纏粒子對(duì)。向A點(diǎn)發(fā)射粒子1，向b點(diǎn)發(fā)射粒子2。

2）在A點(diǎn)，另一個(gè)粒子3攜帶一個(gè)它想要傳輸?shù)牧孔游籕。所以A點(diǎn)的粒子1和B點(diǎn)的粒子2會(huì)和粒子3一起形成一般態(tài)。在點(diǎn)A同時(shí)測(cè)量粒子1和粒子3，并獲得測(cè)量結(jié)果測(cè)量會(huì)使粒子1和粒子2的糾纏態(tài)崩塌，但粒子1和粒子3同時(shí)糾纏。

3）A點(diǎn)的黨使用古典渠道（是一種經(jīng)典的溝通方式，比如電話或者短信）把你的測(cè)量結(jié)果告訴b點(diǎn)。

4）B點(diǎn)的一方在收到A點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果后，知道B點(diǎn)的粒子2處于哪種狀態(tài)。對(duì)粒子2做一個(gè)簡(jiǎn)單的操作，就會(huì)變成粒子3測(cè)量前的狀態(tài)。即粒子3攜帶的量子比特從A點(diǎn)到B點(diǎn)無(wú)損耗傳輸，而粒子3本身只停留在A點(diǎn)，沒(méi)有到達(dá)B點(diǎn)。 

以上是通過(guò)量子糾纏實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的方法，即通過(guò)量子糾纏將一個(gè)量子比特從一個(gè)地方無(wú)損耗地傳送到另一個(gè)地方，這也是目前最主要的量子通信方式。應(yīng)當(dāng)注意，由于這些步驟（3）它是一個(gè)經(jīng)典的信息傳輸，不可忽略，所以它限制了整個(gè)量子隱形傳態(tài)的速度，使量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速度不能超過(guò)光速。

因?yàn)榱孔佑?jì)算需要直接處理量子位，那么“量子隱形傳態(tài)”這種直接的量子比特傳輸將成為未來(lái)量子計(jì)算之間的量子通信方式未來(lái)，量子隱形傳態(tài)和量子計(jì)算機(jī)終端可以形成一個(gè)純粹的量子信息傳輸和處理系統(tǒng)，即量子互聯(lián)網(wǎng)。

量子密鑰分發(fā)

量子密鑰分發(fā)（量子 密鑰 分配， QKD）作為密鑰的安全傳輸方法，可以在兩個(gè)遠(yuǎn)程通信終端之間發(fā)送密鑰。在安全通信過(guò)程中，需要用密鑰對(duì)信息進(jìn)行加密和解密，密鑰的安全性保證了信息的安全性。

與傳統(tǒng)方式不同，量子密鑰分發(fā)在理論上是無(wú)條件安全的，其安全性由量子力學(xué)的基本原理來(lái)保證。量子不可克隆定理表明，不可能完美地克隆任何量子態(tài)。因此，任何對(duì)量子密鑰分發(fā)過(guò)程的竊聽(tīng)，都可能改變量子態(tài)本身，導(dǎo)致誤碼率很高，從而使竊聽(tīng)被發(fā)現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，量子態(tài)在QKD的傳輸依賴于光子的編碼、傳輸、測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。

在量子密鑰分發(fā)中，通信雙方首先隨機(jī)調(diào)制和測(cè)量單個(gè)光子的偏振態(tài)，然后根據(jù)調(diào)制和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行協(xié)商、糾錯(cuò)和信息處理，最后得到共享的量子密鑰。由于單個(gè)光子的隨機(jī)偏振具有量子疊加態(tài)的特性，任何竊聽(tīng)行為都會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)的崩塌和信道誤碼率的增加，從而被雙方檢測(cè)到。密鑰傳輸?shù)陌踩曰谖锢硖匦院途幋a協(xié)議，不依賴于計(jì)算復(fù)雜度，從而排除了密碼被計(jì)算破解的可能性。在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，單光子源還不成熟，集成欺騙調(diào)制的弱相干脈沖源是現(xiàn)實(shí)的選擇光子探測(cè)器和隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的性能對(duì)密鑰生成率傳輸距離等性能指標(biāo)也有重要影響。量子密鑰分發(fā)結(jié)合一次性加密在理論和協(xié)議上可以提供無(wú)條件的安全性，但是實(shí)際設(shè)備和系統(tǒng)的非理想特性仍然會(huì)成為可能被竊聽(tīng)者利用的安全漏洞不斷測(cè)試和提高量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的真實(shí)安全性也是量子通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。

因?yàn)榱孔用荑€分發(fā)系統(tǒng)基于協(xié)議原理、組網(wǎng)方式、設(shè)備性能和實(shí)際安全性存在限制，商用系統(tǒng)的安全密鑰率只有10kbit左右/s數(shù)量級(jí)，目前網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離約為100km，實(shí)驗(yàn)報(bào)道的最高密鑰速率約為2Mbit/s量級(jí)（傳輸距離在40km左右時(shí)），最大光纖傳輸距離約200km（約1kbit/s密鑰速率時(shí)）目前量子密鑰分發(fā)主要是針對(duì)城域的語(yǔ)音加密應(yīng)用根據(jù)協(xié)議、器件和系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和完善有望提高密鑰速率和傳輸距離，并逐步擴(kuò)展到干線高速傳輸?shù)募用軕?yīng)用。

實(shí)用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子通信

實(shí)際的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子通信需要隨機(jī)改變相干態(tài)的脈沖強(qiáng)度來(lái)測(cè)量單光子計(jì)數(shù)率。以此為輸入?yún)?shù)，提取最終碼，該方法得到的最終碼的安全性與理想單光子源得到的安全性相當(dāng)。對(duì)于弱相干光源發(fā)出的脈沖，有的是多光子脈沖，有的是單光子脈沖。誘餌法的主要作用是在接收端測(cè)量Bob的探測(cè)結(jié)果（初始碼）其中有多少源自發(fā)射端（Alice端）光源的單光子脈沖或多或少源于發(fā)射端的多光子脈沖。基于這個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，可以提取出安全的最終碼，相當(dāng)于在發(fā)射端只使用單光子脈沖產(chǎn)生的那部分初始碼，而舍棄多光子脈沖產(chǎn)生的那部分初始碼在安全性方面的最終效果相當(dāng)于使用理想的單光子源。

量子網(wǎng)絡(luò)通信

借助光開(kāi)關(guān)技術(shù)，誘騙態(tài)方法也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)闆](méi)有量子存儲(chǔ)器，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 量子密鑰分發(fā)距離不能超過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)距離。但是網(wǎng)絡(luò)上任意兩個(gè)用戶都可以通過(guò)光開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)。2009年，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了  節(jié)點(diǎn)鏈量子通信網(wǎng)絡(luò)，這是世界上第一個(gè)基于誘騙方案的量子語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話和三方對(duì)講功能，展示了無(wú)條件安全量子通信的實(shí)用性。這一成果很快被美國(guó)《Science》雜志刊登為3356“量子電話” 被舉報(bào)，也被歐洲物理學(xué)會(huì)《物理世界》舉報(bào)為3356“量子網(wǎng)絡(luò)誕生于中國(guó)” 做了專題報(bào)道。2009年8月，中國(guó)科大潘建偉團(tuán)隊(duì)在合肥建成了 53356個(gè)節(jié)點(diǎn)的星型全通量子電話網(wǎng)絡(luò)。

量子中繼和遠(yuǎn)程量子通信

目前，使用誘餌法的最遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)距離是200公里。雖然隨著探測(cè)技術(shù)的提高，距離還會(huì)進(jìn)一步提高，但基于經(jīng)典相干態(tài)光源的誘餌態(tài)方法由于編碼率隨距離呈指數(shù)下降，且中間無(wú)法放大單個(gè)量子態(tài)信號(hào)，很難直接完成全局量子通信任務(wù)。

遠(yuǎn)程量子通信的最終實(shí)現(xiàn)將依賴于量子中繼，其基本思想如下：許多網(wǎng)站建立在太空中首先利用量子糾纏分發(fā)技術(shù)在相鄰站點(diǎn)之間建立共享糾纏對(duì)，利用量子存儲(chǔ)技術(shù)存儲(chǔ)糾纏對(duì)。利用長(zhǎng)距離自由空間傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子糾纏轉(zhuǎn)換，即增加量子糾纏對(duì)的空間分離距離如果預(yù)先在每個(gè)相鄰的3356站點(diǎn)中安排糾纏對(duì)，那么在糾纏轉(zhuǎn)換操作之后，可以實(shí)現(xiàn)下一個(gè)最近鄰站點(diǎn)之間的共享糾纏。如果繼續(xù)操作，原則上可以在兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的站點(diǎn)之間建立共享糾纏，即可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信。

諾貝爾物理學(xué)和量子通信獎(jiǎng)

貝爾不等式的根源來(lái)自于1935年的愛(ài)因斯坦、波多斯基和羅森提出的一個(gè)悖論是EPR（Albert Einstein-lukas podolski-Rosen）佯謬：要么是量子理論不完備，要么是量子力學(xué)會(huì)導(dǎo)致超光速作用，這與定域性相反。EPR佯謬質(zhì)疑的不是量子力學(xué)的正確性，而是量子力學(xué)的不完全性。

1964年，英國(guó)物理學(xué)家約翰·貝爾定義了一個(gè)可觀測(cè)的測(cè)量，基于局域隱變量理論，預(yù)言測(cè)量值不超過(guò)2，而利用量子理論，可以得出最大值可以達(dá)到2√2。一旦實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果大于2，就說(shuō)明局部隱變量理論是錯(cuò)誤的。貝爾一直在研究愛(ài)因斯坦和愛(ài)因斯坦s面貝爾 s研究隱變量理論的初衷是為了證明量子理論的非定域性是錯(cuò)誤的，但后來(lái)所有的實(shí)驗(yàn)都表明定域隱變量理論的預(yù)言是錯(cuò)誤的，量子理論的預(yù)言與實(shí)驗(yàn)是一致的。貝爾的誕生s不等式宣告了量子理論的局部爭(zhēng)議從帶有哲學(xué)色彩的純理論思辨轉(zhuǎn)變?yōu)閹в袑?shí)驗(yàn)可證偽性的科學(xué)理論。

美國(guó)理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John  F.Article  ）一個(gè)儀器被建造來(lái)一次發(fā)射兩個(gè)糾纏的光子，每個(gè)光子被發(fā)射到一個(gè)過(guò)濾器來(lái)測(cè)試它的偏振。1972年，他和博士生斯圖亞特·弗里德曼（Stuart Friedman  ）1944-2012）合在一起，它顯示了一個(gè)明顯違反貝爾 s不等式，并且與量子力學(xué)的預(yù)言相一致。

在接下來(lái)的幾年里，約翰·克勞斯和其他物理學(xué)家繼續(xù)討論這個(gè)實(shí)驗(yàn)及其局限性其中之一就是實(shí)驗(yàn)在產(chǎn)生和捕獲粒子方面普遍不科學(xué)，測(cè)量是預(yù)設(shè)的，濾鏡的角度是固定的。消除這個(gè)特殊的漏洞是非常困難的，因?yàn)榧m纏的量子態(tài)是如此脆弱，難以管理；有必要處理單個(gè)光子。

然后是法國(guó)物理學(xué)家艾倫·阿斯佩（阿蘭 方面)該設(shè)備的新版本在幾次迭代中被建立和改進(jìn)。在他的實(shí)驗(yàn)中，他可以記錄通過(guò)過(guò)濾器的光子和沒(méi)有通過(guò)過(guò)濾器的光子t。這意味著探測(cè)到更多的光子，測(cè)量結(jié)果也更好。在他測(cè)試的最后一個(gè)變體中，他還能夠以不同的角度將光子導(dǎo)向兩個(gè)過(guò)濾器。一種策略是在糾纏光子產(chǎn)生并從它們的源頭發(fā)出后，轉(zhuǎn)換它們的方向。過(guò)濾器之間只有6米的距離，所以轉(zhuǎn)換需要在幾十億分之一秒內(nèi)完成。如果關(guān)于光子將到達(dá)哪個(gè)過(guò)濾器的信息影響了它從光源發(fā)射的方式，那么它將不會(huì)到達(dá)那個(gè)過(guò)濾器。實(shí)驗(yàn)中，一側(cè)濾光片的信息無(wú)法到達(dá)另一側(cè)，影響那里的測(cè)量結(jié)果。就這樣，艾倫·Aspe填補(bǔ)了一個(gè)重要的漏洞，并提供了一個(gè)非常清晰的結(jié)果：量子力學(xué)是正確的，沒(méi)有隱藏變量。

1998年，安東·塞林格（Anton Zeilinger）還有人在奧地利因斯布魯克大學(xué)完成了貝爾定理實(shí)驗(yàn)，徹底消除了本地化漏洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果是決定性的；安東，2015·塞林格（Anton Zeilinger）做了個(gè)實(shí)驗(yàn)，被夸沒(méi)漏洞“無(wú)漏洞”這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了貝爾不等式不成立，同時(shí)排出了定位漏洞和測(cè)量漏洞。

2022年，法國(guó)物理學(xué)家艾倫·阿斯佩（阿蘭 方面）美國(guó)理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John  F.Article  ） 和奧地利物理學(xué)家安東·塞林格（Anton Zeilinger）三個(gè)人被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以表彰他們“糾纏光子的實(shí)驗(yàn)證明量子力學(xué)違反了貝爾不等式，創(chuàng)造了量子信息科學(xué)。他們的研究為基于量子信息的新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，包括量子計(jì)算、量子信息的傳輸和存儲(chǔ)，以及量子加密算法等。

量子通信在軍事、國(guó)防、金融等信息安全領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價(jià)值和前景，不僅可以用在軍事上、國(guó)防等領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)保密通信，也可用于涉及秘密數(shù)據(jù)和票據(jù)的電信、證券、保險(xiǎn)、銀行、工商、地稅、金融等領(lǐng)域和部門，且技術(shù)相對(duì)成熟，未來(lái)市場(chǎng)容量巨大。