1.7　现在最火的是量子通信

1.7.1　量子通信卫星怎么样给小明发送密码

我们可以举一个简化的例子，假设量子通信卫星给用户小明发送密码。

1. 第一步

此时，它需要先发出一个偏振光子，代表一个比特1或0。

由于光是一种电磁波，光子就是组成光的粒子，电磁波的振动就像绳子抖动一样，可以朝这儿偏也可以朝那儿偏。夏天阳光刺眼，我们戴上墨镜之后，就会觉得对面车窗反射的光线柔和了很多。这是因为偏振墨镜就像一把筛子，把方向与它不一致的偏振光过滤掉了。

量子通信的偏振光子可不是随便偏振的，例如我们规定，朝0°方向偏振代表比特0；90°方向偏振代表比特1。先发出一个偏振光子。

接收光子的“特制墨镜”也不是随便放的，我们规定只能正着放，或者斜着45°放。假如“特制墨镜”正着放，刚好可以允许0°方向和90°方向的光子通过，小明就能顺利接收正确的比特。

2. 第二步

假如把“特制墨镜”斜着45°放呢？按照牛顿力学，0°的光子撞上去肯定是头破血流。但是量子力学可不认这个死理儿，光子哪里有路哪里走。管它正路、斜路，先走两步再说。

这个时候，0°的光子既想从1号口子通过，又想从0号口子通过，可是小明每次观察它的时候，它只能通过其中一个口子，怎么办呢？上帝也没辙了，只能抛掷骰子决定。掷出来单号就走1号口，掷出来双号就走0号口，施行单双号通行。90°的光子也一样，得先掷骰子再通行。

100年以前，量子力学刚刚创立的时候，两个作为创始人的玻尔和爱因斯坦因为这个事还吵了一架。最后，玻尔吵赢了（这一场著名的争吵，后面量子力学那一章再详细讲述）。

于是，我们得到这样一组结论：如果量子通信卫星发射的光子是0°或90°的，而小明以45°斜着摆放“特制墨镜”，他收到的比特就可能是错的。同样的道理，如果量子通信卫星发射的光子是45°（同样代表比特0）或135°（同样代表比特1）的，而小明正常摆放“特制墨镜”，他收到的比特也可能是错的。只有量子通信卫星发出的光子的偏振方向恰好与小明摆放的“特制墨镜”的方向一样时，小明接收到的比特才是对的。

所以，量子通信卫星每发射一个光子，都要随机选择一组方向：要么是0°和90°，要么是45°和135°。而小明每次接收光子的时候，也要随机摆放“特制墨镜”：要么正着放，要么斜着放。这会导致很多比特的传输都是失败的。

上面讲的是100多年前玻尔和爱因斯坦讨论的怎样发送量子比特的事，下面讲现在的事情。

1.7.2　最火的颠覆性技术量子通信在中国

1. 全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功升空

2016年8月16日，中国研制的量子通信卫星上天了！

从2005年实现13km自由空间量子密钥和纠缠分发，到2016年8月全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”（见图1-19）成功升空。再到全球最长的量子保密通信“京沪干线”全线贯通，十余年间，从无到有、从弱到强，我国量子通信技术已跻身全球领先地位，吸引了国际社会的广泛关注。

此前，“墨子号”第一个科学目标已实现并在Nature上发表，即在国际上率先实现百万米级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验。

星地高速量子密钥的分发是其第二个目标，通过量子态传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。

地星量子隐形传态是“墨子号”的第三个科学目标。量子隐形传态是利用量子纠缠将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身。

科学家在“墨子号”量子卫星上搭载了自主研发的四种“武器”：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子实验控制与处理机。

同时，在地面建设了科学应用系统，包括一个中心——合肥量子科学实验中心；四个地面站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站；一个平台——阿里量子隐形传态实验平台。

卫星与地面站共同构成天地一体化量子科学实验系统，在两年的设计寿命期间将进行四大实验任务——星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验。

实验大致分为三类：第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发，实现天地之间的安全通信，如果四个地面站任何两两之间都可以实现安全通信，即可实现组网；第二类相当于把量子实验室搬到太空，在空间尺度检验量子理论；第三类是实现卫星和地面百万米量级的量子态隐形传输。

中国量子通信成果如图1-20所示。

以量子密钥分发为核心的量子通信，能够提高用户现有网络传输链路安全等级，是广泛认可的可持续发展的安全通信方案。当前，网络信息安全形势日益复杂，量子通信作为从物理机制上实现无条件安全的信息传输的新型通信方式，对于我国保障网络与信息安全具有重要意义。

2. 量子保密通信“京沪干线”，组网水平全球领先

当前，全球正在加快部署远距离量子通信网络，中国在量子保密通信网络建设方面处于全球领先地位。

量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目开工建设后，干线全长2000余千米，连接北京、上海，贯穿济南、合肥等地，已于2017年8月30日通过总技术验收。与2016年8月16日发射升空的“墨子号”量子科学实验卫星成功对接，标志着全球首个星地一体广域量子保密通信网络雏形初步建立，成功保持了中国量子通信技术实用化的国际领先地位。

“京沪干线”的建成，表明中国在世界上首次实现了基于可信中继方案的远距离量子安全密钥分发，验证了基于异或中继方案的多节点量子密钥安全中继技术、远距离量子保密通信产品的可靠性、大规模量子保密通信网络的管理能力，检验并提升了量子保密通信设备的成熟度与稳定性，推动了量子密钥中继设备、光量子交换机、波分复用等各种信道产品的开发和制造。与国外其他厂商相比，产品更加丰富，在组建多节点的城域网和大型干线网络方面具有明显优势。

自我国量子保密通信“京沪干线”实施以来，主要发达国家和地区在量子通信领域加快战略部署，特别是美国部署了为Google、Microsoft、Amazon公司等互联网巨头数据中心之间的通信提供量子安全保障服务的环美万千米量子保密通信骨干网络；欧盟部署了量子技术旗舰计划支持，并计划在2030年前建成泛欧量子安全互联网；韩国部署了由科学信息通信和未来规划部（MSIP）资助、SK电信牵头计划在2020年建成的韩国国家量子保密通信网络。