量子通信

量子通信是量子信息学的一个重要分支量子通信是基于量子纠缠技术，通过量子纠缠产生的链式效应实现信息传输这种通信方式利用量子力学原理操纵量子态，在两地之间交换信息，可以完成经典通信无法完成的任务量子通信是迄今为止被严格证明是无条件安全的通信方式，可以有效解决信息安全问题。

量子通信的核心是以量子态对信息进行编码和传输，其通信过程遵守量子不确定性原理、量子力学的基本物理原理，如量子相干叠加量子非局域性等，都是基于量子力学中的不确定性、测量崩溃和不可克隆三大原理提供了无法被窃听和被计算破解的安全性量子通信主要分为量子隐形传态和量子密钥分发。

量子隐形传态是基于量子纠缠对的分布和贝尔态的联合测量来实现量子态的信息传输，其中量子态信息的测量和确定仍然需要现有通信技术的辅助。量子隐形传态中纠缠对的制备、分布测量等关键技术有待突破，处于理论研究和实验探索阶段，离实用化还有较大差距。 量子密钥分发又称量子密码，通过量子叠加态的传输测量实现通信双方安全的量子密钥共享，然后通过一次一密的对称加密系统实现更加安全保密的通信，即通信双方使用与明文长度相同的密码逐位加密解密。

2023年3月9日，北京量子信息科学研究院袁志良团队首创量子密钥分发开放式新架构，利用光频梳技术成功实现615 km光纤量子通信。这种架构既能保证量子通信的安全性，又能大大降低系统建设成本，为在国内建设多节点广域量子网络奠定基础。

光是有波动的，也就是在传播的过程中，一边前进一边振动振动可以在垂直于空间传播方向的任何方向上。但是我们可以在中途加一个偏振镜，让垂直于振动方向的偏振镜发出的光可以通过。这样，通过的光线亮度会大大减弱，从而减轻眼睛的负担。

在二维空间是X和Y，在三维空间是X、Y、z轴，把这两组基板想象成偏光片当一束光通过衬底时，只有这个方向偏振的光子被保留下来，也就是说，这个光子的偏振态是唯一的。It 就像一根穿过栅栏的绳子，抓住一端，上下摆动栅栏就像一条绳子“透明”是的，它赢了不干涉绳子摆动，但是如果它左右摆动，绳子的波动就会被栅栏挡住。

以A到B的密钥传输为例：

首先，发送方A用水平垂直衬底和倾斜45°衬底制备光子，制备后指定偏振态。比如它们在X轴偏振的光子记为1，在Y轴偏振的记为0。也就是说，如果偏振态看起来是0，那么从水平和垂直衬底中筛出的光子代表二进制数1；如果是90，代表二进制数0。之后，A随机选取一批具有一定偏振态的光子，通过正常信道逐一发送给接收机B。此时，光子的分配可以记录为长度为n的二进制字符串。b接收到a的光子后，随机选择一个衬底进行测量。如果B和A选择相同的底物，测量结果将与A 的作业。如果选择了错误的基底，光子将不会通过，表现出完全随机的性能。因为只有0和1两个赋值，所以在这种情况下错误率是50%

之后，B通过其他渠道，如公用电话，与A核对测量结果。他没有不需要告诉A他得到了什么结果，只需要告诉A他选择了什么底物。这样就可以剔除错误的结果，保留正确的结果，从而形成长度m（Mn）的二进制字符串成为原始密钥。此时，A已经知道了B测量光子所用的底物序列，所以A每次给B发送随机脉冲时，都会附上一个序列对错的列表。接收到脉冲后，B将误差表与自己的测量结果进行比较。这样，他知道哪些数字是正确的，从而获得正确的密钥。

一般来说，量子通信有两种，一种是量子隐形传态；一个是量子密钥分发。前者利用量子的不可复制性和测量的随机性产生量子密码，对传统的数字通信进行加密；而后者利用量子纠缠直接传输量子比特。量子隐形传态是为了未来量子计算机之间的通信。

量子隐形传态是基于量子纠缠对的分布和贝尔态的联合测量来实现量子态的信息传输，其中量子态信息的测量和确定仍然需要现有通信技术的辅助。量子隐形传态中纠缠对的制备、配送计量等关键技术需要突破目前都处于理论研究和实验探索阶段，离实际使用还有很大差距。

量子密钥分发又称量子密码，是通过量子叠加态的传输测量，实现通信双方安全的量子密钥共享，然后通过一次一密的对称加密系统实现无条件的安全秘密通信，即通信双方使用与明文长度相同的密码进行逐位加密和解密。经过近30年的发展，量子密钥分发从理论协议到器件体系已经趋于成熟，现在已经有了小规模的试点应用和初步的产业化趋势。基于量子密钥分发的量子保密通信已经成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段，是量子通信理论和应用研究领域的一个热点。

量子态隐形传输

因为量子纠缠是非局域的，即无论两个纠缠粒子相距多远，测量其中一个粒子的状态必然会同时得到另一个粒子的状态这“信息”的获取不受光速的限制。利用这种跨越空间的纠缠态来传输信息，基于量子纠缠态的量子通信应运而生这种利用量子纠缠态的量子通信是“量子隐形传态”Quantum teleportation）

量子隐形传态的过程（即传输协议）一般分如下几步：

1）制备一个纠缠粒子对。向A点发射粒子1，向b点发射粒子2。

2）在A点，另一个粒子3携带一个它想要传输的量子位Q。所以A点的粒子1和B点的粒子2会和粒子3一起形成一般态。在点A同时测量粒子1和粒子3，并获得测量结果测量会使粒子1和粒子2的纠缠态崩塌，但粒子1和粒子3同时纠缠。

3）A点的党使用古典渠道（是一种经典的沟通方式，比如电话或者短信）把你的测量结果告诉b点。

4）B点的一方在收到A点的测量结果后，知道B点的粒子2处于哪种状态。对粒子2做一个简单的操作，就会变成粒子3测量前的状态。即粒子3携带的量子比特从A点到B点无损耗传输，而粒子3本身只停留在A点，没有到达B点。 

以上是通过量子纠缠实现量子隐形传态的方法，即通过量子纠缠将一个量子比特从一个地方无损耗地传送到另一个地方，这也是目前最主要的量子通信方式。应当注意，由于这些步骤（3）它是一个经典的信息传输，不可忽略，所以它限制了整个量子隐形传态的速度，使量子隐形传态的信息传输速度不能超过光速。

因为量子计算需要直接处理量子位，那么“量子隐形传态”这种直接的量子比特传输将成为未来量子计算之间的量子通信方式未来，量子隐形传态和量子计算机终端可以形成一个纯粹的量子信息传输和处理系统，即量子互联网。

量子密钥分发

量子密钥分发（量子 密钥 分配， QKD）作为密钥的安全传输方法，可以在两个远程通信终端之间发送密钥。在安全通信过程中，需要用密钥对信息进行加密和解密，密钥的安全性保证了信息的安全性。

与传统方式不同，量子密钥分发在理论上是无条件安全的，其安全性由量子力学的基本原理来保证。量子不可克隆定理表明，不可能完美地克隆任何量子态。因此，任何对量子密钥分发过程的窃听，都可能改变量子态本身，导致误码率很高，从而使窃听被发现。一般来说，量子态在QKD的传输依赖于光子的编码、传输、测量实现的。

在量子密钥分发中，通信双方首先随机调制和测量单个光子的偏振态，然后根据调制和测量结果进行协商、纠错和信息处理，最后得到共享的量子密钥。由于单个光子的随机偏振具有量子叠加态的特性，任何窃听行为都会导致量子态的崩塌和信道误码率的增加，从而被双方检测到。密钥传输的安全性基于物理特性和编码协议，不依赖于计算复杂度，从而排除了密码被计算破解的可能性。在量子密钥分发系统中，单光子源还不成熟，集成欺骗调制的弱相干脉冲源是现实的选择光子探测器和随机数发生器的性能对密钥生成率传输距离等性能指标也有重要影响。量子密钥分发结合一次性加密在理论和协议上可以提供无条件的安全性，但是实际设备和系统的非理想特性仍然会成为可能被窃听者利用的安全漏洞不断测试和提高量子密钥分发系统的真实安全性也是量子通信技术发展的重要方向。

因为量子密钥分发系统基于协议原理、组网方式、设备性能和实际安全性存在限制，商用系统的安全密钥率只有10kbit左右/s数量级，目前网络的传输距离约为100km，实验报道的最高密钥速率约为2Mbit/s量级（传输距离在40km左右时），最大光纤传输距离约200km（约1kbit/s密钥速率时）目前量子密钥分发主要是针对城域的语音加密应用根据协议、器件和系统技术的发展和完善有望提高密钥速率和传输距离，并逐步扩展到干线高速传输的加密应用。

实用点对点量子通信

实际的点对点量子通信需要随机改变相干态的脉冲强度来测量单光子计数率。以此为输入参数，提取最终码，该方法得到的最终码的安全性与理想单光子源得到的安全性相当。对于弱相干光源发出的脉冲，有的是多光子脉冲，有的是单光子脉冲。诱饵法的主要作用是在接收端测量Bob的探测结果（初始码）其中有多少源自发射端（Alice端）光源的单光子脉冲或多或少源于发射端的多光子脉冲。基于这个至关重要的参数，可以提取出安全的最终码，相当于在发射端只使用单光子脉冲产生的那部分初始码，而舍弃多光子脉冲产生的那部分初始码在安全性方面的最终效果相当于使用理想的单光子源。

量子网络通信

借助光开关技术，诱骗态方法也可以用来实现量子通信网络。因为没有量子存储器，这个网络的 量子密钥分发距离不能超过点对点的量子密钥分发距离。但是网络上任意两个用户都可以通过光开关切换实现量子密钥分发。2009年，我国实现了  节点链量子通信网络，这是世界上第一个基于诱骗方案的量子语音通信网络系统，实现了实时网络通话和三方对讲功能，展示了无条件安全量子通信的实用性。这一成果很快被美国《Science》杂志刊登为3356“量子电话” 被举报，也被欧洲物理学会《物理世界》举报为3356“量子网络诞生于中国” 做了专题报道。2009年8月，中国科大潘建伟团队在合肥建成了 53356个节点的星型全通量子电话网络。

量子中继和远程量子通信

目前，使用诱饵法的最远实验距离是200公里。虽然随着探测技术的提高，距离还会进一步提高，但基于经典相干态光源的诱饵态方法由于编码率随距离呈指数下降，且中间无法放大单个量子态信号，很难直接完成全局量子通信任务。

远程量子通信的最终实现将依赖于量子中继，其基本思想如下：许多网站建立在太空中首先利用量子纠缠分发技术在相邻站点之间建立共享纠缠对，利用量子存储技术存储纠缠对。利用长距离自由空间传输技术实现量子纠缠转换，即增加量子纠缠对的空间分离距离如果预先在每个相邻的3356站点中安排纠缠对，那么在纠缠转换操作之后，可以实现下一个最近邻站点之间的共享纠缠。如果继续操作，原则上可以在两个相距遥远的站点之间建立共享纠缠，即可以实现远距离量子通信。

诺贝尔物理学和量子通信奖

贝尔不等式的根源来自于1935年的爱因斯坦、波多斯基和罗森提出的一个悖论是EPR（Albert Einstein-lukas podolski-Rosen）佯谬：要么是量子理论不完备，要么是量子力学会导致超光速作用，这与定域性相反。EPR佯谬质疑的不是量子力学的正确性，而是量子力学的不完全性。

1964年，英国物理学家约翰·贝尔定义了一个可观测的测量，基于局域隐变量理论，预言测量值不超过2，而利用量子理论，可以得出最大值可以达到2√2。一旦实验测量结果大于2，就说明局部隐变量理论是错误的。贝尔一直在研究爱因斯坦和爱因斯坦s面贝尔 s研究隐变量理论的初衷是为了证明量子理论的非定域性是错误的，但后来所有的实验都表明定域隐变量理论的预言是错误的，量子理论的预言与实验是一致的。贝尔的诞生s不等式宣告了量子理论的局部争议从带有哲学色彩的纯理论思辨转变为带有实验可证伪性的科学理论。

美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John  F.Article  ）一个仪器被建造来一次发射两个纠缠的光子，每个光子被发射到一个过滤器来测试它的偏振。1972年，他和博士生斯图亚特·弗里德曼（Stuart Friedman  ）1944-2012）合在一起，它显示了一个明显违反贝尔 s不等式，并且与量子力学的预言相一致。

在接下来的几年里，约翰·克劳斯和其他物理学家继续讨论这个实验及其局限性其中之一就是实验在产生和捕获粒子方面普遍不科学，测量是预设的，滤镜的角度是固定的。消除这个特殊的漏洞是非常困难的，因为纠缠的量子态是如此脆弱，难以管理；有必要处理单个光子。

然后是法国物理学家艾伦·阿斯佩（阿兰 方面)该设备的新版本在几次迭代中被建立和改进。在他的实验中，他可以记录通过过滤器的光子和没有通过过滤器的光子t。这意味着探测到更多的光子，测量结果也更好。在他测试的最后一个变体中，他还能够以不同的角度将光子导向两个过滤器。一种策略是在纠缠光子产生并从它们的源头发出后，转换它们的方向。过滤器之间只有6米的距离，所以转换需要在几十亿分之一秒内完成。如果关于光子将到达哪个过滤器的信息影响了它从光源发射的方式，那么它将不会到达那个过滤器。实验中，一侧滤光片的信息无法到达另一侧，影响那里的测量结果。就这样，艾伦·Aspe填补了一个重要的漏洞，并提供了一个非常清晰的结果：量子力学是正确的，没有隐藏变量。

1998年，安东·塞林格（Anton Zeilinger）还有人在奥地利因斯布鲁克大学完成了贝尔定理实验，彻底消除了本地化漏洞实验结果是决定性的；安东，2015·塞林格（Anton Zeilinger）做了个实验，被夸没漏洞“无漏洞”这个实验证明了贝尔不等式不成立，同时排出了定位漏洞和测量漏洞。

2022年，法国物理学家艾伦·阿斯佩（阿兰 方面）美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John  F.Article  ） 和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）三个人被授予诺贝尔物理学奖以表彰他们“纠缠光子的实验证明量子力学违反了贝尔不等式，创造了量子信息科学。他们的研究为基于量子信息的新技术奠定了基础，包括量子计算、量子信息的传输和存储，以及量子加密算法等。

量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有很大的应用价值和前景，不仅可以用在军事上、国防等领域的国家级保密通信，也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、金融等领域和部门，且技术相对成熟，未来市场容量巨大。