从2016年“墨子号”量子卫星成功发射，到2017年京沪干线建设完成，量子通信这个词就变得格外火热。

量子通信，似乎也成了很多人眼里的一次野心勃勃对于经典通信的改朝换代。这一次，潘建伟团队登上顶级学术期刊《NATURE》，发表了题为《一个超过4600公里的集成星地量子通信网络》论文，再起引起瞩目。

量子通信技术，可以说是我国少数的，完全领先世界的，未来技术；很多人对此看法不一，有人会觉得量子通信能够彻底改变世界运行方式，比如像星际迷航里那样，可以瞬间隔空传输到另一个城市；

当然也有很多人觉得这其实并没有任何用处，纯粹就是个噱头；当然还有不乏打着量子旗号的神秘产品出现在我们日常生活中。

那今天我们来好好说说关于量子通信的底层原理，相信大家就能做出自己的判断。

其实这个内容对我来说也是挺难的一个课题，所以我们也是请教了同济大学电信学院叶博士，查阅了特别多的资料；同时呢，我也会尽量避免用特别专业的术语，大家评论区可以随意友善battle，一起学习！

什么是量子？

量子并不是指某一种东西，他是计量能量的最小单位；通俗地讲，所有物理量，光、电流等等，我们不断去把它分割小再分割小，小得不能再小的时候，它就可以理解成是量子，而它表现出来特有的状态，就是量子态。

当物体在量子状态时，会有很多目前科学无法完全解释的“匪夷所思”的现象出现，比如众所周知的双缝干涉实验所表现出来的貌似违背因果定律的现象，这在物理学领域是个很吸引人的话题。

什么是量子计算机？

这个就要我们先区分量子计算机和传统计算机。传统计算机就是我们日常使用的电脑，不管你用的电脑性能如何，它实现计算和数据传输是通过一组基本的二进制代码进行的，就比如“1000011100101”，可以看出，它只有“0”和“1”两个数字。

那计算机如何发送和识别“0”和“1”呢，用不同状态区别就可以了，比如通过电平高低，高电平代表“1”，低电平代表“0”。

目前我们使用的电脑在“摩尔定律”指导下，运算能力越来越快，但是，它的能力是有物理极限的，当运算能力发展到一定阶段，如果没有新技术出现，运算能力就很难提高了。

这个时候，量子计算机被提出来。

量子计算机并不使用晶体管，或者说经典比特，而是使用量子比特。量子比特不是只有0和1，他可能是-1和1，也就是同时拥有这两个值的属性，这个就叫做叠加。所以，在执行计算方面，就有了更加多的可能性。

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

什么是量子通讯？

不知道大家有没有想过我们在平时发起转账交易，看似一瞬间完成的事，其实背后究竟经历了什么？是不是有过一丝担心，这笔转账过程中能够被别人截走呢？我们只能说：目前为止，暂时安全。

因为这个过程，是经过了加密，银行产生公钥和私钥；公钥传向手机，私钥用来解密。想要破解这个加密的秘钥，其实是需要把一个很大位数的数字，比如说1024位，用暴力计算，分解成两个质数的乘积。

加密容易解密难，这个过程非常漫长，即使用人类目前运算能力最强大的中国超级计算机太湖之光，加上目前最优的算法，大概需要50年的时间，如果再增加一点难度，想要破解，那可能就真的子子孙孙无穷尽的时间了。

但如果将来量子计算机发展到一定程度，不要说1024位的秘钥，就算2048位的，都是几秒钟洒洒水的时间。

所以说，在全球都使用RSA体系加密，并且短期内没有更高一级的加密方式时，量子计算的出现就像一支锋利的“矛”。而量子通信呢，就像一个牢不可破的“盾”，研究量子保密通信这一领域，很重要的一个原因，就是保护我们每一个人，和我们国家的信息安全。

好，我们说回量子通信的原理，听完之后，大家就能知道为什么说量子通信可以保证绝对的信息安全。

我们现在说的量子通信，其实是利用了光子的一些量子特性，来传递一次性加密的密码，这个特性，划重点，具体讲是偏振的特性。

那偏振又是什么呢？我们说光是一种电磁波，光波前进的时候，就会产生振动，但是振动的方向，是和前进方向垂直。

如果我们用一块光栅挡住一束光，当缝隙正好和光波振动方向一致，就能通过；垂直呢，那就是拦住了，这就是光的偏振特性。

如果有摄影爱好者，偏振镜的滤光片，就是这个原理。

如果我们能够在发送端调整光的振动方向，让它要么水平、要么垂直，那么我们相应地在接收端通过一个水平的（或者垂直的）偏振滤光镜，就能检测到它们。

水平的代表0，垂直的代表1。在量子通信状态下，我们更进一步，不但用0度和90度表示0和1，还增加规定：45度的光子也可以表示0，135度的光子也可以表示1。

所以，当接收端，收到的0和1的序列的时候，其实必然随机包含两种类型的光子，0度和90度，或者45度和135度两组情况。只有接收器和光子偏振方向一致的时候，才能接收到100%正确的信息。

如果方向不一致，比如当一个45度的光子，跑到测量0度和90度的接收器面前时，会得到什么结果呢？量子力学中把这个45度偏振状态的光子称为量子叠加态，它可以被理解是0度和90度的叠加。

但是，接收器显然不会同时探测到0度和90度，而是随机得到其中一种结果：要么是0，要么1，两种结果都有一定概率发生。所以，如果接收器和光子偏振方向不一致，就无法接收到正确的比特。

那么问题来了：如果接收端不知道发送端发送的光子是按照哪一种角度振动的话，那接收方可以接受的正确信号的概率是多少呢？

按照这样偏振光特性，如果有人半路窃听消息，首先是他们不知道每个光子发出的偏振方向；其次是，光子是一个不可再分的基本粒子，接收一次，原来的状态就消失了。

因此，偷听者不可能把偷听到的内容复制一份发给接收者。一旦有了窃听的行为，就势必会被发现，我们就能够及时中断通信。

所以说量子通信的最大的好处就是，他解决了通信中绝对的保密性这样一个问题；但如果真的说量子通信能够改变世界，我了解下来，也确实有些言过其实。

量子科技未来展望

无可否认的是，量子计算结合量子通信结合发展，将使人类社会进入人工智能时代。

我国科研工作者对于量子计算机的研究，以及对于量子通讯技术的探索，正标志着中国正在努力成为，下一代量子技术的“领跑者”。量子科技应用的大幕，正由中国和世界各地的科学家一起，徐徐拉开。