量子通信
量子通信是量子信息學的一個重要分支量子通信是基于量子糾纏技術，通過量子糾纏產生的鏈式效應實現信息傳輸這種通信方式利用量子力學原理操縱量子態，在兩地之間交換信息，可以完成經典通信無法完成的任務量子通信是迄今為止被嚴格證明是無條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問題。
量子通信的核心是以量子態對信息進行編碼和傳輸，其通信過程遵守量子不確定性原理、量子力學的基本物理原理，如量子相干疊加量子非局域性等，都是基于量子力學中的不確定性、測量崩潰和不可克隆三大原理提供了無法被竊聽和被計算破解的安全性量子通信主要分為量子隱形傳態和量子密鑰分發。
量子隱形傳態是基于量子糾纏對的分布和貝爾態的聯合測量來實現量子態的信息傳輸，其中量子態信息的測量和確定仍然需要現有通信技術的輔助。量子隱形傳態中糾纏對的制備、分布測量等關鍵技術有待突破，處于理論研究和實驗探索階段，離實用化還有較大差距。 量子密鑰分發又稱量子密碼，通過量子疊加態的傳輸測量實現通信雙方安全的量子密鑰共享，然后通過一次一密的對稱加密系統實現更加安全保密的通信，即通信雙方使用與明文長度相同的密碼逐位加密解密。
2023年3月9日，北京量子信息科學研究院袁志良團隊首創量子密鑰分發開放式新架構，利用光頻梳技術成功實現615 km光纖量子通信。這種架構既能保證量子通信的安全性，又能大大降低系統建設成本，為在國內建設多節點廣域量子網絡奠定基礎。
實現過程 編輯本段
光是有波動的，也就是在傳播的過程中，一邊前進一邊振動振動可以在垂直于空間傳播方向的任何方向上。但是我們可以在中途加一個偏振鏡，讓垂直于振動方向的偏振鏡發出的光可以通過。這樣，通過的光線亮度會大大減弱，從而減輕眼睛的負擔。
在二維空間是X和Y，在三維空間是X、Y、z軸，把這兩組基板想象成偏光片當一束光通過襯底時，只有這個方向偏振的光子被保留下來，也就是說，這個光子的偏振態是唯一的。It 就像一根穿過柵欄的繩子，抓住一端，上下擺動柵欄就像一條繩子“透明”是的，它贏了不干涉繩子擺動，但是如果它左右擺動，繩子的波動就會被柵欄擋住。
以A到B的密鑰傳輸為例：
首先，發送方A用水平垂直襯底和傾斜45°襯底制備光子，制備后指定偏振態。比如它們在X軸偏振的光子記為1，在Y軸偏振的記為0。也就是說，如果偏振態看起來是0，那么從水平和垂直襯底中篩出的光子代表二進制數1；如果是90，代表二進制數0。之后，A隨機選取一批具有一定偏振態的光子，通過正常信道逐一發送給接收機B。此時，光子的分配可以記錄為長度為n的二進制字符串。b接收到a的光子后，隨機選擇一個襯底進行測量。如果B和A選擇相同的底物，測量結果將與A 的作業。如果選擇了錯誤的基底，光子將不會通過，表現出完全隨機的性能。因為只有0和1兩個賦值，所以在這種情況下錯誤率是50%
之后，B通過其他渠道，如公用電話，與A核對測量結果。他沒有不需要告訴A他得到了什么結果，只需要告訴A他選擇了什么底物。這樣就可以剔除錯誤的結果，保留正確的結果，從而形成長度m（Mn）的二進制字符串成為原始密鑰。此時，A已經知道了B測量光子所用的底物序列，所以A每次給B發送隨機脈沖時，都會附上一個序列對錯的列表。接收到脈沖后，B將誤差表與自己的測量結果進行比較。這樣，他知道哪些數字是正確的，從而獲得正確的密鑰。
通信分類 編輯本段
一般來說，量子通信有兩種，一種是量子隱形傳態；一個是量子密鑰分發。前者利用量子的不可復制性和測量的隨機性產生量子密碼，對傳統的數字通信進行加密；而后者利用量子糾纏直接傳輸量子比特。量子隱形傳態是為了未來量子計算機之間的通信。
量子隱形傳態是基于量子糾纏對的分布和貝爾態的聯合測量來實現量子態的信息傳輸，其中量子態信息的測量和確定仍然需要現有通信技術的輔助。量子隱形傳態中糾纏對的制備、配送計量等關鍵技術需要突破目前都處于理論研究和實驗探索階段，離實際使用還有很大差距。
量子密鑰分發又稱量子密碼，是通過量子疊加態的傳輸測量，實現通信雙方安全的量子密鑰共享，然后通過一次一密的對稱加密系統實現無條件的安全秘密通信，即通信雙方使用與明文長度相同的密碼進行逐位加密和解密。經過近30年的發展，量子密鑰分發從理論協議到器件體系已經趨于成熟，現在已經有了小規模的試點應用和初步的產業化趨勢?；诹孔用荑€分發的量子保密通信已經成為未來保障網絡信息安全的一種非常有潛力的技術手段，是量子通信理論和應用研究領域的一個熱點。
量子態隱形傳輸
因為量子糾纏是非局域的，即無論兩個糾纏粒子相距多遠，測量其中一個粒子的狀態必然會同時得到另一個粒子的狀態這“信息”的獲取不受光速的限制。利用這種跨越空間的糾纏態來傳輸信息，基于量子糾纏態的量子通信應運而生這種利用量子糾纏態的量子通信是“量子隱形傳態”Quantum teleportation）
量子隱形傳態的過程（即傳輸協議）一般分如下幾步：
1）制備一個糾纏粒子對。向A點發射粒子1，向b點發射粒子2。
2）在A點，另一個粒子3攜帶一個它想要傳輸的量子位Q。所以A點的粒子1和B點的粒子2會和粒子3一起形成一般態。在點A同時測量粒子1和粒子3，并獲得測量結果測量會使粒子1和粒子2的糾纏態崩塌，但粒子1和粒子3同時糾纏。
3）A點的黨使用古典渠道（是一種經典的溝通方式，比如電話或者短信）把你的測量結果告訴b點。
4）B點的一方在收到A點的測量結果后，知道B點的粒子2處于哪種狀態。對粒子2做一個簡單的操作，就會變成粒子3測量前的狀態。即粒子3攜帶的量子比特從A點到B點無損耗傳輸，而粒子3本身只停留在A點，沒有到達B點。
以上是通過量子糾纏實現量子隱形傳態的方法，即通過量子糾纏將一個量子比特從一個地方無損耗地傳送到另一個地方，這也是目前最主要的量子通信方式。應當注意，由于這些步驟（3）它是一個經典的信息傳輸，不可忽略，所以它限制了整個量子隱形傳態的速度，使量子隱形傳態的信息傳輸速度不能超過光速。
因為量子計算需要直接處理量子位，那么“量子隱形傳態”這種直接的量子比特傳輸將成為未來量子計算之間的量子通信方式未來，量子隱形傳態和量子計算機終端可以形成一個純粹的量子信息傳輸和處理系統，即量子互聯網。
量子密鑰分發
量子密鑰分發（量子 密鑰 分配， QKD）作為密鑰的安全傳輸方法，可以在兩個遠程通信終端之間發送密鑰。在安全通信過程中，需要用密鑰對信息進行加密和解密，密鑰的安全性保證了信息的安全性。
與傳統方式不同，量子密鑰分發在理論上是無條件安全的，其安全性由量子力學的基本原理來保證。量子不可克隆定理表明，不可能完美地克隆任何量子態。因此，任何對量子密鑰分發過程的竊聽，都可能改變量子態本身，導致誤碼率很高，從而使竊聽被發現。一般來說，量子態在QKD的傳輸依賴于光子的編碼、傳輸、測量實現的。
在量子密鑰分發中，通信雙方首先隨機調制和測量單個光子的偏振態，然后根據調制和測量結果進行協商、糾錯和信息處理，最后得到共享的量子密鑰。由于單個光子的隨機偏振具有量子疊加態的特性，任何竊聽行為都會導致量子態的崩塌和信道誤碼率的增加，從而被雙方檢測到。密鑰傳輸的安全性基于物理特性和編碼協議，不依賴于計算復雜度，從而排除了密碼被計算破解的可能性。在量子密鑰分發系統中，單光子源還不成熟，集成欺騙調制的弱相干脈沖源是現實的選擇光子探測器和隨機數發生器的性能對密鑰生成率傳輸距離等性能指標也有重要影響。量子密鑰分發結合一次性加密在理論和協議上可以提供無條件的安全性，但是實際設備和系統的非理想特性仍然會成為可能被竊聽者利用的安全漏洞不斷測試和提高量子密鑰分發系統的真實安全性也是量子通信技術發展的重要方向。
因為量子密鑰分發系統基于協議原理、組網方式、設備性能和實際安全性存在限制，商用系統的安全密鑰率只有10kbit左右/s數量級，目前網絡的傳輸距離約為100km，實驗報道的最高密鑰速率約為2Mbit/s量級（傳輸距離在40km左右時），最大光纖傳輸距離約200km（約1kbit/s密鑰速率時）目前量子密鑰分發主要是針對城域的語音加密應用根據協議、器件和系統技術的發展和完善有望提高密鑰速率和傳輸距離，并逐步擴展到干線高速傳輸的加密應用。
基本方法 編輯本段
實用點對點量子通信
實際的點對點量子通信需要隨機改變相干態的脈沖強度來測量單光子計數率。以此為輸入參數，提取最終碼，該方法得到的最終碼的安全性與理想單光子源得到的安全性相當。對于弱相干光源發出的脈沖，有的是多光子脈沖，有的是單光子脈沖。誘餌法的主要作用是在接收端測量Bob的探測結果（初始碼）其中有多少源自發射端（Alice端）光源的單光子脈沖或多或少源于發射端的多光子脈沖?；谶@個至關重要的參數，可以提取出安全的最終碼，相當于在發射端只使用單光子脈沖產生的那部分初始碼，而舍棄多光子脈沖產生的那部分初始碼在安全性方面的最終效果相當于使用理想的單光子源。
量子網絡通信
借助光開關技術，誘騙態方法也可以用來實現量子通信網絡。因為沒有量子存儲器，這個網絡的 量子密鑰分發距離不能超過點對點的量子密鑰分發距離。但是網絡上任意兩個用戶都可以通過光開關切換實現量子密鑰分發。2009年，我國實現了 節點鏈量子通信網絡，這是世界上第一個基于誘騙方案的量子語音通信網絡系統，實現了實時網絡通話和三方對講功能，展示了無條件安全量子通信的實用性。這一成果很快被美國《Science》雜志刊登為3356“量子電話” 被舉報，也被歐洲物理學會《物理世界》舉報為3356“量子網絡誕生于中國” 做了專題報道。2009年8月，中國科大潘建偉團隊在合肥建成了 53356個節點的星型全通量子電話網絡。
量子中繼和遠程量子通信
目前，使用誘餌法的最遠實驗距離是200公里。雖然隨著探測技術的提高，距離還會進一步提高，但基于經典相干態光源的誘餌態方法由于編碼率隨距離呈指數下降，且中間無法放大單個量子態信號，很難直接完成全局量子通信任務。
遠程量子通信的最終實現將依賴于量子中繼，其基本思想如下：許多網站建立在太空中首先利用量子糾纏分發技術在相鄰站點之間建立共享糾纏對，利用量子存儲技術存儲糾纏對。利用長距離自由空間傳輸技術實現量子糾纏轉換，即增加量子糾纏對的空間分離距離如果預先在每個相鄰的3356站點中安排糾纏對，那么在糾纏轉換操作之后，可以實現下一個最近鄰站點之間的共享糾纏。如果繼續操作，原則上可以在兩個相距遙遠的站點之間建立共享糾纏，即可以實現遠距離量子通信。
諾貝爾物理學和量子通信獎
貝爾不等式的根源來自于1935年的愛因斯坦、波多斯基和羅森提出的一個悖論是EPR（Albert Einstein-lukas podolski-Rosen）佯謬：要么是量子理論不完備，要么是量子力學會導致超光速作用，這與定域性相反。EPR佯謬質疑的不是量子力學的正確性，而是量子力學的不完全性。
1964年，英國物理學家約翰·貝爾定義了一個可觀測的測量，基于局域隱變量理論，預言測量值不超過2，而利用量子理論，可以得出最大值可以達到2√2。一旦實驗測量結果大于2，就說明局部隱變量理論是錯誤的。貝爾一直在研究愛因斯坦和愛因斯坦s面貝爾 s研究隱變量理論的初衷是為了證明量子理論的非定域性是錯誤的，但后來所有的實驗都表明定域隱變量理論的預言是錯誤的，量子理論的預言與實驗是一致的。貝爾的誕生s不等式宣告了量子理論的局部爭議從帶有哲學色彩的純理論思辨轉變為帶有實驗可證偽性的科學理論。
美國理論和實驗物理學家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F.Article ）一個儀器被建造來一次發射兩個糾纏的光子，每個光子被發射到一個過濾器來測試它的偏振。1972年，他和博士生斯圖亞特·弗里德曼（Stuart Friedman ）1944-2012）合在一起，它顯示了一個明顯違反貝爾 s不等式，并且與量子力學的預言相一致。
在接下來的幾年里，約翰·克勞斯和其他物理學家繼續討論這個實驗及其局限性其中之一就是實驗在產生和捕獲粒子方面普遍不科學，測量是預設的，濾鏡的角度是固定的。消除這個特殊的漏洞是非常困難的，因為糾纏的量子態是如此脆弱，難以管理；有必要處理單個光子。
然后是法國物理學家艾倫·阿斯佩（阿蘭 方面)該設備的新版本在幾次迭代中被建立和改進。在他的實驗中，他可以記錄通過過濾器的光子和沒有通過過濾器的光子t。這意味著探測到更多的光子，測量結果也更好。在他測試的最后一個變體中，他還能夠以不同的角度將光子導向兩個過濾器。一種策略是在糾纏光子產生并從它們的源頭發出后，轉換它們的方向。過濾器之間只有6米的距離，所以轉換需要在幾十億分之一秒內完成。如果關于光子將到達哪個過濾器的信息影響了它從光源發射的方式，那么它將不會到達那個過濾器。實驗中，一側濾光片的信息無法到達另一側，影響那里的測量結果。就這樣，艾倫·Aspe填補了一個重要的漏洞，并提供了一個非常清晰的結果：量子力學是正確的，沒有隱藏變量。
1998年，安東·塞林格（Anton Zeilinger）還有人在奧地利因斯布魯克大學完成了貝爾定理實驗，徹底消除了本地化漏洞實驗結果是決定性的；安東，2015·塞林格（Anton Zeilinger）做了個實驗，被夸沒漏洞“無漏洞”這個實驗證明了貝爾不等式不成立，同時排出了定位漏洞和測量漏洞。
2022年，法國物理學家艾倫·阿斯佩（阿蘭 方面）美國理論和實驗物理學家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F.Article ） 和奧地利物理學家安東·塞林格（Anton Zeilinger）三個人被授予諾貝爾物理學獎以表彰他們“糾纏光子的實驗證明量子力學違反了貝爾不等式，創造了量子信息科學。他們的研究為基于量子信息的新技術奠定了基礎，包括量子計算、量子信息的傳輸和存儲，以及量子加密算法等。
應用價值 編輯本段
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