总览 / 章节 / 第9章 量子通信
从物理学源头、量子纠缠、实践落地到多国竞赛和墨子号，这一章展示的是：前沿科技真正进入产业视野时，必须经过从理论到工程再到国家竞争的完整路径。
量子通信章节的重点，是把一项高冷科学路线还原成基础设施竞争和安全需求问题。
为什么值得读：它是理解‘科研领先、工程落地、产业化节奏’三者差异的绝佳章节。
如何进入自己的系统：读量子赛道时，要刻意分开看科学成就、工程验证和商业应用，不把它们混成一团。
这节在解决什么：第9章 量子通信：从云端到身边
怎么迁移到自己的系统：2016年8月16日北京时间凌晨1点40分，在酒泉卫星发射中心中国成功发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”（以下简称为“量子卫星”）。一时间各路媒体铺天盖地争相报道，在各大网站、论坛、自媒体平台等引发热烈的讨论甚至争议。真正懂得量子通信科学原理的人屈指可数，一些脑洞大开的解读诸如开启“任意门”“瞬间移动”等越发让人觉得这事很玄乎。当然，更多的一种反应是“你们说的每一个字我都认识，但是你们说的东西我一点都听不懂”。
提醒：相信不少外行跟我一样，看到“量子卫星”“量子通信”这样的词汇就“肃然起敬”。追本溯源，量子通信也的确算得上真“高冷”。接下来，让我们暂时将视线转回到100多年前，从头开始了解“量子通信”是怎么发生的。
这节在解决什么：提到“量子通信”，不得不从“量子”说起。而“量子”这一概念的提出，与经典物理学上空的“两朵乌云”中的其中一朵有关。
怎么迁移到自己的系统：19世纪是经典物理学的峥嵘岁月，构建了力学、电磁学、热学、光学、声学等科学理论的大厦。到19世纪末期，物理学的发展已经相当成熟。著名物理学家开尔文在1900年送别旧世纪、展望新未来的演讲中称：“19世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰、完美这座大厦了。”然而，此时在物理学的万里晴空中飘来了两朵乌云：第一朵与迈克尔逊和莫雷的实验有关，该实验证明绝对静止的空间是不存在的；第二朵与黑体辐射有关，即高温物体辐射形成的光谱分析现象。这两个无法用经典物理学解释的新发现，成为20世纪物理学革命的导火线。20世纪初，对这两朵“乌云”的研究很快引发物理学的一场大变革：从第一朵乌云中诞生了相对论，从第二朵乌云中诞生了量子论。
提醒：为了解决黑体辐射问题，马克斯·普朗克提出了“量子”的概念——“能量子”（量子）是能量的最小单位，他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍（后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象）。在1900年12月14日的德国物理学学会会议中，普朗克第一次发表了能量量子化数值、一个分子摩尔的数值及基本电荷等重大的进展。其数值比以前更准确，提出的理论也成功解决了黑体辐射的问题，这也标志着量子论的诞生。
这节在解决什么：量子力学[2]创建于20世纪上半叶，这是一个群星璀璨的伟大时代，也是已经载入人类史册的时代。
怎么迁移到自己的系统：自1900年普朗克提出“量子”这一重要概念起，量子论为人类打开了新世界的大门。然而，普朗克的能量量子化观点与经典物理学中的“能量连续性原理”格格不入，最初物理学界对它的反应很是冷淡，认为普朗克公式“纯粹是一些不相关量的偶然巧合”，更不承认能量量子化观点。普朗克本人也只是把能量量子化的观点局限于电谐振子向外辐射能量和吸收能量的过程中。
提醒：对于这种研究状况，很多物理学家都如坐针毡，纷纷加入量子论的研究领域，并很快推出了重要成果。
这节在解决什么：后期致力于“统一场论”的爱因斯坦对“充满不确定性”的量子力学有所不满，因此爱因斯坦也开始质疑他本人曾经推动过的量子力学。在第五次和第六次索尔维会议中，爱因斯坦分别提出两个思想实验，试图凸显不确定性原理为何不成立。假设制备一对属于量子力学中的“纠缠态”的粒子A和粒子B（“EPR对”），都处于一半概率左旋、一半概率右旋的量子叠加状态，并且两者的旋转方向始终相反；但在用仪器测量之前并不知道某个时刻哪个是左旋，哪个是右旋。粒子A和粒子B在空间上拉开很远的距离后，测量粒子A，这时粒子B是不可能知道粒子A发生了变化因而发生相应变化的。
怎么迁移到自己的系统：而玻尔的一个推论（量子纠缠）认为，对粒子A进行测量，粒子A会立刻由量子叠加态坍缩为确定态，表现出左旋或右旋状态的一种；而此时，距此很远的B粒子也会立刻坍缩成确定态。尽管两个粒子距离很远，但它们状态的改变是完全同时的，即使是光速也达不到这么快。
提醒：几个帮助理解“量子纠缠”的故事
这节在解决什么：贝尔纳曾说：“科学与战争一直有着极其密切的联系。”如果要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生所开启的电子信息科技革命。然而，信息技术在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显：电子计算机的极限运算速度是否存在？对此，近年来不断突破的量子信息技术正在开启新的机遇之门。
怎么迁移到自己的系统：过去50多年对量子纠缠的实证，恰恰就是量子通信（Quantum Communication）的起源。量子通信是利用量子纠缠效应[4]进行信息传递的一种新型的通信方式，是量子论和信息论相结合形成的新的研究领域。广义的量子通信，根据传输的信息是经典比特或量子比特，可分为量子保密通信和量子隐形传态，前者用于量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD），后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。目前业内所说的量子通信，指的是狭义的量子通信技术，一般称为量子保密通信，即用于量子密钥分发。
提醒：量子密钥分发是利用量子纠缠的特性去实现密钥的安全分发，目前主要通过在光纤或者自由空间利用光子的偏振或者相位特性来实现，同时还需要传统互联网信道完成数据传输。发送方或接收方，通过一定的手段（如激光器）制备出两个处于纠缠态的光子（EPR对）。将其中的一个通过光纤发送至另一方，然后双方对光子进行测量。根据量子纠缠特性，两个光子一个左旋一个右旋，这样双方就可以得到互补的二进制0和1。至于哪一方得到0、哪一方得到1并不影响密钥分发，因为只需要双方的密钥对应即可。在这个过程中，并没有真正地实现一方将任意信息发送给另一方，但双方得到了相互对应的密钥。另外由于是通过粒子作为载体进行传输，不可能实现超光速通信。
这节在解决什么：现有的非对称加密技术/公钥加密技术（RSA是常用的一种）并非不可破解，只是现有的计算机计算能力有限。随着计算机的性能不断提高，特别是未来量子计算机的研制，将有可能导致现有公钥加密被轻易解密。例如，针对整数分解的秀尔算法（Shor’s Algorithm），如果使用量子计算机的话，现有加密技术将轻而易举被突破。
怎么迁移到自己的系统：但是，量子计算机与量子保密通信之间并不是矛和盾的关系。量子计算机可以依靠其基于量子位的无比强大的计算能力，通过各种算法来破解基于复杂算法的加密技术。而量子密钥分发并非基于算法，而是基于纠缠态的光量子传输。直白地说，就是量子计算机强大的计算能力在量子密钥分发面前是无用武之力的。
提醒：那么，量子通信是否就能保证绝对安全？从量子密钥分发来看，点对点之间密钥传输的安全性是可以保证的，这一点毋庸置疑。因为在传输过程中，只要第三方试图窃取信号（以光量子为载体的密钥），就表示信号被观测了，一旦被测量，其状态就确定了，但是在被观测前它的状态是不确定的（处于量子叠加态），所以只要有人碰（试图窃取、观测）了信号，发送端和接收端都会察觉，因为“碰”信号的中间人再也无法将原来那个叠加态的量子发给接收端了，接收发送双方就可以销毁或丢弃这个密钥。考虑到量子密钥永远也不可能被截获，因此，只要能接发成功一组就可以实现信息的安全传送。除非对方实行7×24小时干扰（试图窃取），那样的话通信确实会被破坏，但这同时也提示了该信道的不安全性。
这节在解决什么：量子通信技术难以应用于无线通信领域。造成这一缺憾的原因有两个方面：
怎么迁移到自己的系统：首先，无论是量子密钥分发还是量子隐形传态，光子的顺利收发都是先决条件。而无线通信通常工作在微波波段，在这一波段，微波单光子的能量太低，难以检测。目前量子加密通信，若使用光纤，则一般使用以下3个波段：700~800纳米（可见光），1310纳米和1550纳米（红外）；若使用自由空间激光，则一般选择770纳米波长。然而，微波波段的波长范围为1米~1毫米，微波的波长是量子加密使用波长（1310纳米）的数十万倍左右。光子的能量和光子的波长成反比，因此，一个微波单光子的能量是一个红外单光子的数十万分之一，检测非常困难。
提醒：其次，在进行无线广播时，任何用户对信号的接收，都不会改变其他用户即将接收到的信号。但是，对于量子密钥分发和量子隐形传态来说，如果对多个用户进行无线广播，那么每个用户都在接收的同时破坏了量子态，改变了其他用户可能接收到的信息。量子态的不可复制性是一把双刃剑：一方面，它使得“偷听者”能够被觉察到；另一方面，也使“一对多”的无线广播变得不可行，这时每个用户对于其他用户来说都是破坏量子态的“第三方”。
这节在解决什么：量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，不仅可用于军事、国防等领域的国家级保密通信，还可用于涉及秘密数据和票据的电信、证券、保险、银行、工商、税务、财政以及企业云存储、数据中心等领域和部门。
怎么迁移到自己的系统：那么，国内外量子通信产业化进展如何？
提醒：国外已有多个专门从事量子通信技术成果转化和商业推广的实体公司。例如美国的MagiQ Technologies公司和瑞士日内瓦大学成立的ID Quantique（IDQ）公司等，都能够提供QKD量子通信的商用化器件、系统和解决方案。法国电信研究院成立的SeQureNet公司从事连续变量量子密钥分发产品的开发。
这节在解决什么：量子通信对未来信息安全的重要影响决定了这一领域必然是大国布局和竞争的主战场之一。但在研发的重点上，中美两国各有偏重（见附录9-1）。这既是由两国研发基础决定的，同时也在一定程度上反映出两国科研体制机制的差异。对于长期习惯于“集中力量办大事”、实行举国体制的中国而言，发射量子通信卫星似乎是必然的决策，而对于更加重视重大科研成果商业化前景、更多依靠市场化主体支撑科研重大项目的美国而言，量子计算机无疑更具吸引力。
怎么迁移到自己的系统：1984年，美国IBM公司科学家本内特等人提出了首个量子密钥分发协议（BB84协议[5]），使量子通信的研究从理论走向了现实。随着量子密钥分发技术的发展和逐步成熟，世界各国试点应用呈现快速发展趋势。2003年，美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发保密通信网络。此后，欧洲、美国日本等多个国家和地区相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等多个量子通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、基础设备保密通信等应用。2013年，美国知名研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用瑞士IDQ公司设备，基于分段量子密钥分发结合安全可信节点密码中继的组网方式，为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心提供具备量子安全性的通信保障服务。英国政府在2013年发布了为期5年的量子信息技术专项，投入2.7亿英镑用于量子通信和量子计算等方面的研究。
提醒：在空间量子研究领域，新加坡国立大学和英国斯特拉思克莱德大学组成国际科研团队，正借助成本仅约10万美元、重量仅约5公斤的立方体卫星开展量子实验，以实现“天基量子通信”。基于节约成本的考虑，加拿大科学家设想在地面制造成对的纠缠光子，然后将它们发射到不足30公斤重的微型卫星。意大利帕多瓦大学的科学家认为，在普通卫星上安装反射镜或其他更简单的设备就可以完成在太空开展量子科学实验的任务，2015年该研究小组展示了光子从卫星弹回地球，仍能保持其量子态，接收错误率极低，足以用于量子密码传输。
这节在解决什么：在传统通信技术下，光纤信号的衰减可以通过放大器件进行放大后传输，只要建立好中继站，光纤网络便可以遍布全球。但是量子通信的信息载体是单个的光子，量子的不可复制性也决定了单个光子的信号是不可放大的。由于光纤固有的光子损耗，光子在光纤里传播100公里之后大约只有1‰的信号可以到达最后的接收站，所以，光量子传输难以实现更远距离的拓展，光纤量子通信达到百公里量级后就很难再突破。
怎么迁移到自己的系统：光子在自由空间的损耗远低于在光纤中的损耗，因为光子在自由空间的损耗主要来自光斑的发散，大气对光子的吸收和散射远小于光纤。光子穿透整个大气层后却可以保留80%左右，再利用卫星的中转，就可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信。
提醒：“墨子号”：全球领先的量子实验平台
因为量子通信的现实意义不只在于科学突破，还在于谁能率先把它推进为新一代安全通信能力。
