量子通信是量子信息学的重要分支，它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，可完成经典通信难以实现的任务。作为迄今唯一被严格证明无条件安全的通信方式，量子通信为信息安全问题提供了创新解决方案。

核心原理

量子通信以量子态作为信息载体，其安全性源于量子力学的基本特性。通信过程服从量子不确定性原理、量子相干叠加和量子非定域性等原理，基于量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理，提供了无法被窃听和计算破解的安全保障。

量子态编码与传输

量子通信通过操控量子态实现信息编码与传输。由于量子态具有独特的叠加和纠缠特性，任何对量子态的测量或复制操作都会改变其状态，从而被通信双方察觉。这种特性使得量子通信在原理上具备无条件安全性。

安全性原理

• 不可克隆定理：无法完美克隆任意量子态，任何窃听行为都会改变量子态，导致高误码率而被发现。
• 测量坍缩：对量子态的测量会使其坍缩到某一特定状态，窃听者无法获取完整信息而不留下痕迹。
• 非定域性：量子纠缠态的非局域关联特性使得通信双方能够检测到窃听行为。

主要分类

量子隐形传态

量子隐形传态基于量子纠缠对分发与贝尔态联合测量，实现量子态的信息传输。其核心步骤包括：

1. 纠缠对制备与分发：制备纠缠光子对，并将其分发至通信双方。
2. 联合测量：发送方对需要传输的量子态与自身持有的纠缠粒子进行联合测量。
3. 经典信息传输：将测量结果通过经典信道发送给接收方。
4. 量子态重构：接收方根据测量结果对自身持有的纠缠粒子进行操作，重构原始量子态。

技术挑战：纠缠对制备、分发和测量等关键技术有待突破，目前仍处于理论研究和实验探索阶段，距离实用化尚有较大差距。

量子密钥分发

量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）借助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。其核心流程包括：

1. 量子态制备与传输：发送方制备随机偏振态的光子，并通过量子信道发送给接收方。
2. 量子态测量：接收方对接收到的光子进行随机基测量，记录测量结果。
3. 基比对与筛选：双方通过经典信道比对测量基，筛选出有效比特。
4. 密钥提取与隐私放大：通过纠错和隐私放大协议提取最终安全密钥。

安全性优势：基于一次一密的对称加密体制，通信双方均使用与明文等长的密码进行逐比特加解密操作，实现无条件安全的保密通信。

发展历史

理论奠基

• 1900年：普朗克提出“量子”概念，假定光辐射与物质相互作用时能量不连续，宣告“量子论”诞生。
• 1968年：以色列科学家斯蒂芬·威斯纳提出利用量子系统处理经典方法无法完成的信息处理任务，启发量子通信和量子密码学发展。
• 1979年：美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard提出量子通信传输设想。
• 1981 - 1982年：艾伦·爱斯派克特（Alain Aspect）使用纠缠光粒子进行实验，证实量子力学正确性，为量子计算机、量子网络和量子通信铺平道路。
• 1984年：美国IBM公司提出BB84协议，利用单光子不可分割性和未知量子态不可复制性保证密钥安全性。

技术突破

• 1989年：IBM公司实现首个量子信息传输，拉开实验研究帷幕。
• 1991年：英国牛津大学A.K.Ekert提出基于纠缠光子对的QKD协议（Ekert91协议），开启基于纠缠光子对密钥分发先河。
• 1993年：英国国防部长在光纤中实现基于BBB4方案的相位编码，传输距离10km。
• 1997年：瑞士日内瓦大学Nicolas Gisin小组实现即插即用系统量子密钥分发方案；奥地利科学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）首次完成量子隐形传态原理性实验验证。
• 2002年：欧洲小组在自由空间中实现23km量子密钥分发。
• 2003年：美国DARPA资助建立首个量子密钥分发实验系统和量子保密通信组网应用，欧美日多国相继建成量子保密通信实验网络。
• 2004年：美国国防部高级研究署资助BBN公司建成全球首个量子通信实验网络（6个服务器）。
• 2005年：华人科学家提出基于诱骗态的量子密钥分发实验方案，将安全通信距离提升至100公里以上。
• 2007年：欧洲研究小组在自由空间实现144km基于纠缠的QKD。
• 2008年：欧洲联合小组在维也纳建立SECOQC量子安全通信网络，覆盖12个国家，包含6个节点和8条链路。
• 2010年：日本建立东京量子密钥分发网络。
• 2012年：中国建成合肥城域量子通信试验示范网，成为全球首个规模化量子通信网络城市。
• 2014年：量子保密通信“京沪干线”项目通过评审并开始建设，计划建成国际首个长距离光纤量子保密通信骨干线路（超2000km）。
• 2016年：中国发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，实现星地量子通信实验。
• 2017年：世界首条量子保密通信干线“京沪干线”正式开通，结合“墨子号”实现洲际量子保密通信。
• 2019年：中国首次实现高维度量子体系隐形传态，为复杂量子系统传输和高效量子网络发展奠定基础。
• 2020年：利用“墨子号”实现量子安全时间传递原理性实验验证，为卫星导航系统奠定基础。
• 2022年：
  • 中俄实现首次“完整周期”量子通信测试。
  • 中国实现833公里光纤双场量子密钥分发，提升安全传输距离世界纪录。
  • 设计出相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，实现100公里量子直接通信。
  • 通过“天宫二号”和卫星地面站实现空—地量子保密通信网络实验演示。
  • 阿兰·阿斯佩、约翰·弗朗西斯·克劳泽和安东·塞林格因验证量子力学违反贝尔不等式被授予诺贝尔物理学奖。
• 2023年：
  • 袁之良团队首创量子密钥分发开放式新架构，实现615公里光纤量子通信。
  • 实现百兆比特率实时量子密钥分发，成码率纪录提升一个数量级。
  • 实现打破安全码率-距离界限的异步测量设备无关量子密钥分发，成功实现508公里光纤量子通信。
• 2025年：
  • 中国科研团队提出单向量子直接通信理论，研制出实用化系统，量子直接通信迈向实际应用阶段。
  • 实现量子微纳卫星与小型化、可移动地面站之间的实时星地量子密钥分发，建立跨洲际量子密钥。
  • 创新提出长距离大规模可扩展全连接量子直接通信理论架构，实现四节点间300公里级量子直接通信网络。

相关原理

量子纠缠纯化

纠缠是量子通信的基本资源，但通道噪声会导致远距离共享纠缠光子对质量下降。纠缠纯化理论表明，只要初始共享纠缠对噪声低于一定水平，即可提炼出纯纠缠对。2001年，潘建伟等提出无需受控非门的纠缠纯化方案，2003年成功实现对任意纠缠态的纠缠纯化。

量子通信实现方式

光具有波动性，其振动方向可通过偏光器筛选。在量子通信中，光子的偏振状态用于编码信息：

• 密钥传输流程：
  1. 发送方A用水平垂直基底和斜45°基底制备光子，并赋值偏振状态（如X轴偏振记为1，Y轴偏振记为0）。
  2. A随机选择光子通过正常信道发送给接收方B。
  3. B随机选择基底测量光子，并通过经典信道告知A所选基底。
  4. 双方剔除错误结果，保留正确结果形成原始密钥。
  5. A发送对错序列表，B比对后获得正确密钥。

量子通信分类深化

量子隐形传态

量子隐形传态利用量子纠缠的非局域性实现量子态传输，其核心步骤包括纠缠对制备、联合测量、经典信息传输和量子态重构。该技术目前处于实验探索阶段，是未来量子计算机间通信的关键技术。

量子密钥分发

量子密钥分发通过量子态传输测量实现安全密钥共享，结合一次一密加密体制实现无条件安全通信。其技术发展已从理论协议迈向器件系统初步成熟阶段，成为保障网络信息安全的潜力技术。

量子态隐形传输深化

量子隐形传态基于量子纠缠的非局域性，通过以下步骤实现：

1. 制备纠缠粒子对并分发至A、B两点。
2. 在A点，待传输量子比特与纠缠粒子1形成总态，测量后使粒子1与粒子3纠缠。
3. A点通过经典信道告知B点测量结果。
4. B点对粒子2操作，重构粒子3原始状态。

限制：经典信息传输速度限制了量子隐形传态整体速度，使其无法超越光速。

量子密钥分发深化

量子密钥分发通过以下流程实现：

1. 发送方制备随机偏振态光子并发送。
2. 接收方随机基测量并记录结果。
3. 双方比对测量基，筛选有效比特。
4. 通过纠错和隐私放大提取最终密钥。

现实挑战：单光子源不成熟、探测器性能、随机数生成器性能等因素影响密钥生成速率和传输距离。

通信方法

实用化点对点量子通信

采用诱骗态方法，通过随机改变相干态脉冲强度测算单光子计数率，提炼出安全性等同于理想单光子源的最终码。该方法已实现城域范围语音加密应用。

量子网络通信

辅以光开关技术后，诱骗态方法可实现量子通信网络。中国已建成3节点链状和5节点星型量子通信网络，实现实时通话和三方对讲功能。

量子中继与远程量子通信

远程量子通信依赖量子中继技术，通过以下步骤实现：

1. 在空间建立站点，分发共享纠缠对。
2. 使用量子存储技术储存纠缠对。
3. 通过纠缠转换增长纠缠对空间分隔距离。
4. 逐步实现远距离站点间共享纠缠。

物理学奖

贝尔不等式争议

1935年EPR佯谬质疑量子力学完备性，1964年约翰·贝尔提出可观测量贝尔不等式。实验验证表明量子力学正确，不存在隐变量。

获奖成果

• 1972年：约翰·克劳泽首次展示违反贝尔不等式结果。
• 1982年：阿兰·阿斯佩弥补实验漏洞，提供明确结果支持量子力学。
• 1998年：安东·塞林格完成无漏洞贝尔定理实验。
• 2022年：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格因验证量子力学违反贝尔不等式被授予诺贝尔物理学奖。

应用价值

军事与国防领域

• 通信密钥生成与分发：构建作战区域内安全军事通信网络。
• 信息对抗：改进军用光网信息传输保密性。
• 深海安全通信：开辟远洋深海安全通信新途径。
• 军事信息网络：建立满足特殊需求的军事信息网络。

国民经济领域

• 金融机构隐匿通信：保障金融数据传输安全。
• 基础设施监视与通信保障：保障电网、煤气管网、自来水管网等重要基础设施安全。

研究进展

前沿理论及成果

• 2019年：首次实现高维度量子体系隐形传态。
• 2022年：
  • 实现空—地量子保密通信网络实验演示。
  • 实现100公里量子直接通信。
• 2023年：
  • 实现615公里光纤量子通信。
  • 实现百兆比特率实时量子密钥分发。
  • 实现508公里光纤量子通信。
• 2025年：
  • 提出单向量子直接通信理论并研制实用化系统。
  • 实现实时星地量子密钥分发和跨洲际量子密钥建立。
  • 实现四节点间300公里级量子直接通信网络。

各国进展

美国

• 政策支持：通过《芯片与科学法案》推进量子计算研发和商业化。
• 研发投入：2019—2022年财政投入年均增长率超25%。
• 科研布局：成立国家量子协调办公室等机构，组建顶尖科研综合体。

欧盟

• 发展计划：提出“全面统筹量子技术工业和研发计划”，规划未来十年发展路线图。
• 人才培养：推广覆盖高中、大学和产业工人的量子教育项目。

英国

• 战略规划：发布《2023国家量子战略》，计划打造领先量子经济体。
• 企业培育：通过基金和挑战赛支持企业参与量子技术研发。

中国

• 卫星通信：2016年发射“墨子号”，实现长距离量子传输。
• 标准制定：2023年发布三项量子保密通信行业标准。
• 国际合作：与俄罗斯建立量子通信链路。
• 技术突破：
  • 提出单向量子直接通信理论并研制实用化系统。
  • 实现实时星地量子密钥分发和跨洲际量子密钥建立。
  • 实现四节点间300公里级量子直接通信网络。