自从墨子号上天以来，量子通信就成了高科技领域最时髦的名词，每天你至少会看到一条关于量子通信的新闻或文章，办公室里，茶余饭后也时不时能听到有人讨论这个话题。但是听说了那么多之后，除了知道量子通信是高科技，可能还是不太搞得明白它到底是个啥，即使听过量子秘钥分发，量子隐形传态，一样还是不太搞得明白它们是啥。本文的目的就是试图以最简单易懂的方式，告诉大家，到底什么是量子通信，它的基本原理是什么。
要理解量子通信，首先我们需要做一个简单的基础知识储备。
什么是量子？量子是物质和物理量的最小的不可分割的单元。打个比方，把一堆篮球比作一个物理量，那么它的最小单元就是一个篮球，不可能有半个篮球三分之一个篮球，那么一个篮球就是一堆篮球这个物理量的量子。再比如光，光的最小单元是光子，没有半个光子，所以光子就是光的量子，光的能量是由光子一份一份传递的。所以量子是一个物理概念，并不特指某个粒子或某种能量。
量子的两个重要特性：量子叠加和量子纠缠
量子叠加，是指一个量子可以同时处于N种不同状态的叠加态。打个比方，同一颗导弹在同一时间，它要么往美国飞，要么往日本飞，不可能同时又往美国飞又往日本飞。但是量子和宏观世界的物质不同，它具有叠加性，同一个量子，在同一时间，它既可以往日本飞又可以同时往美国飞。量子就像是有分身术，一个量子可以同时做N件不同的事，或同时处于N种不同的状态。这就是量子叠加。
量子纠缠，是指当N个量子同时一起处于一个合适的环境后，他们会形成一个总状态不变的纠缠态，之后不管这N个粒子相隔多远，这个总状态都不会改变。打个比方，在同一个停机坪上，停着两架战斗机，然后它们以相同的速度，一个往左飞，一个往右飞，一直到飞出银河系，然后，其中一架战斗机突然180度掉头，这时候，另外一架也必然会同一时间180度掉头。这是一个宏观的比方，放到微观世界去难免会有些不严谨，但是能明白这个大概意思就行。处于纠缠态的量子，无论相隔多远都具有这种总状态不变的超距离感应，一个发生改变另一个立刻做出反应，以保持所有量子的总状态不变。但是，这里有一个关键，处于纠缠态的量子不能被观测，一旦被观测了，就会塌缩，纠缠态就失效了。还是以上面这个例子来讲，假如这两架战斗机飞行过程中，有人偷看了其中一架，那么这两架战斗机就会同时突然塌缩成别的状态，比如它原先是枭龙战机就会塌缩成F-22战机或者别的什么了，同时纠缠态也就不存在了。
我们现阶段的量子通信，包括两个方面，第一是量子秘钥分发，第二是量子隐形传态。其中量子秘钥分发是核心，是基础，量子隐形传态是在某些特殊情况下辅助量子秘钥分发的，没有量子隐形传态，仍然有量子通信，但没有量子秘钥分发，就不存在量子通信了。你现在听说的量子通信，基本就是指的量子秘钥分发，所以，我们只要理解了量子秘钥分发，就理解了量子通信的精髓！
量子秘钥分发是指用量子信息技术对传统信息进行加密的手段。注意这里有一个误区，量子通信并不是把传统信息用量子的方式传递，而只是运用了量子技术给传统信息进行了加密，信息依然是以传统方式传递的。换言之，量子通信本质并不是一种通讯技术，而实际是一种加密技术！打个比方，我现在要给你发一份合同，合同的内容需要保密，那么我跟你之间就需要建立两条通信道路，一条经典信道，如互联网光纤，用于传递合同，另一条量子信道，用于我跟你之间制备和传递量子密钥。我们先在量子信道里把量子秘钥制备好，然后我再用这个秘钥给这份合同加密，然后再通过互联网把合同发送给你，然后你再用量子秘钥解密，这就是量子通信的过程。量子通信并没有比传统通信快或者高效，只是比传统通信安全很多很多。量子秘钥就是一个密码本，量子秘钥分发就是密码本的制备和传递。
量子通信之所以这么重要，就是因为这种加密技术可以更好的保障我们的国防、金融等机密信息的安全。加密技术越高，信息越安全。对信息加密的需求，从古至今都很重要，在涉及到国防，军事，战争等方面时，显得尤为重要。咱们人类的语言，其实也可以看成相同种群之间的沟通密码，老外听不懂中文，是因为他们不懂我们汉语这门密码，语言也是一种加密技术。古埃人根据身边的动植物等东西发明了象形文字，这就是人类最古老的密码。
还有斯巴达人发明的斯巴达密码，很多朋友小时候可能还玩过。
古代近代的加密技术比较简单，自然也就比较容易被破译，一旦密码被破译，就会付出惨重的代价。第一次世界大战中德国的失败，美国的参战起了很大作用，而美国参战的直接原因，是德国的“齐默尔曼电报”被英国破译，从而导致德国谋求和墨西哥结盟牵制美国不参与欧洲战争的阴谋被曝光。后来德国吸取教训，专门发明了一台叫做“恩尼格玛”的密码机，这台密码机据说厉害无比，过了二十多年，直到二战后期才因为一个德国叛徒的出卖被破译出来。这台密码机让德国在二战前期的间谍战方面占据了不少优势。抗日战争时期，中国和日本之间的间谍战，也是展开了大规模的密码斗法。电视剧《潜伏》大家都看过吧，里面的余则成用来翻译电码的是一本书，这是一本普通的书，又是一本奇妙的密码书，这本书如果被敌人发现，那就大祸临头了。不管是战争时期还是和平时期，信息的安全都十分重要，战争时期尤为重要。保密工作一定要做好。
恩尼格玛密码机
现在的加密技术不够安全吗，非得量子通信不可？这么多年没量子通信不是一样过日子吗？那要以动态的眼光来看了。现在我们普遍认为最优秀的传统加密方式是被称为RSA的一种非对称加密算法，它的主要原理是依赖于数学上的大数分解。大数分解就是把一个很大的整数，进行因数分解，比如27，我们可以分解成3乘以9，数字72，我们可以分解成8乘以9，数字864我们可以分解成32乘以27，这个数字越大，分解就会越困难。假如是一个300位的大数，我们用传统计算机分解它，需要15万年！以现在的技术来看，RSA算法是优秀的也是相对安全的，但是，随着量子计算机的出现，将来RSA就不再安全了。回顾一下我们上面讲过的量子叠加原理，一个量子可以同一时间处理N件不同的事，量子计算机利用量子的叠加特性，可以对数据进行并行运算，到那时，我们分解一个300位的大数，只需要一秒钟！所以，等到量子计算机技术成熟时，一切的传统加密方式都将形同虚设！这就是为什么我们需要量子秘钥的原因。
那量子秘钥分发是如何实现的，它的基本原理是什么？为什么说量子秘钥分发绝对安全，不可破译，不可*取盗**呢？量子秘钥分发中，我们利用的量子，是光的量子，既光子。假如我们需要在A点和B点之间实现量子秘钥分发，那么我们需要在AB之间建立两条通道，一条经典信道如网络、电话，用于AB之间进行一些基础的信息沟通，另外一条量子信道，用于传输制备秘钥的量子。在制备量子秘钥的过程中，我们利用的是光子的偏振态。光子的偏振态是说，光子向不同方向振动的状态。在量子秘钥分发中我们利用了4种不同偏振态的光子，分别是上下振动0°，左右振动90°，向右上振动45°，向左上振动135°
然后需要进行以下步骤：
(1)A点的单光子源产生一个一个的单光子；
(2)发送方A使用偏振片（+形或×形）随机生成0°、90°、45°或135°的偏振态，将选定偏振方向的光子通过量子通道传送给接收方B；
(3)B也随机选用两种偏振片（+形或×形）测量光子的偏振方向；
(4)B将测量结果保密，但将他使用的所有的偏振片通过经典通道告知A；
(5)A 对比B选用的偏振片和自己选用的偏振片，然后通过经典通道告诉B哪些偏振片和她用的不同，哪些相同；
(6)B扔掉和A不同的偏振片的测量结果(统计上会扔掉一半的数据)，保留和A相同的偏振片的测量结果；
这些被保留下来的结果，就是AB之间的量子秘钥了，量子秘钥的传送和制备是同时进行的的，生成的过程，也就是传送的过程。（这部分有点复杂也比较绕，小编已经尽最大努力把它说得简单了，能理解的理解一下，不能理解的话也没有关系，只需要知道量子秘钥的制备过程利用的是光子的偏振态就足够了）。
那么通过这样制备的量子秘钥，真的绝对安全？真的不能*取盗**，不能破译吗？我们先来设想一下，假设你是这个想要窃取机密的人，那么你有两种办法，第一种，拦截光子，然后自己测量，测量完了之后再放过去给B。但是这就存在一个问题，你测量的时候你不知道应该用哪一种偏振片，所以你只能猜，是用＋还是用×，那就有50%的概率会猜错。一旦猜错了，那你测量的光子就会塌缩成另一个状态，然后你再放给B，那B收到的就是一个错误的光子，之后AB核对两人测量结果时就会发现你的入侵。那么，这段秘钥就直接作废了，你就相当于做了无用功。第二种，你把光子拦截下来，但是你不测，你复制个一样的留下，然后把原来的继续发给B，等到AB公布结果之后，你再根据他们公布的偏振片去测量。这样同样行不通，因为，量子真是太诡异了，它具有不可克隆性，你无法克隆一个一模一样的光子。
当然啦，兵来将挡水来土掩，虽然量子通信已经极其安全，但是还是有黑客想了各种各样的办法，来突破量子通信的保护栏。其中有一种最简单粗暴的方式就是，我也不窃取你，也不复制你，我就是干扰你，因为单个光子是很脆弱的，如果用强激光持续干扰，就会使得量子秘钥的分发过程无法进行。但道高一尺魔高一丈，在潘建伟院士的带领下，我国依然实现了超过400公里抵御量子黑客攻击的量子秘钥分发。
中国的量子通信技术，目前领先于世界各国，墨子号量子卫星已经实现了跨省市的量子秘钥分发，实际上，如果没有墨子号，量子秘钥地对地分发的距离，目前最远也不能超过我们潘建伟院士带领实现的400多公里的极限。因为之前我们说过，光量子是非常脆弱的，即使用超低损耗光纤传输，也避免不了损耗。倘若量子通信只能局限于几百公里的距离，那在实际应用中就没多大意义了。所以说墨子号卫星是为量子通信技术开辟坦途的壮举。墨子号之所以可以实现千公里级量子秘钥分发，一个是因为光子在空间里的损耗要远远低于在光纤中的损耗，所以它可以传得更远。二是因为，墨子号充当了城市与城市之间的量子秘钥分发的中继站。
那你可能会问了，那量子通信跟量子计算机对打呢，谁会赢？这就像以子之矛攻子之盾，如果你被矛穿透了，那你就不是最结实的盾，如果你被盾挡住了，那你就不是最锐利的矛。早在量子通信刚起步阶段，黑客也好科学家也好，都在思考它的漏洞，找漏也是补漏的过程嘛。确实也找到不少漏洞，不过也都一一在补，加密者和解密者本身就是一个长期攻防的过程嘛，或许根本没有终点。量子计算机现在还在起步阶段，至于将来是否可以用量子计算机来破解量子密码，那就等量子计算机技术成熟起来了再说吧。
好了，今天的分享就到这里，感谢大家的支持，欢迎大家在评论区留言讨论，还没关注小编的，记得点关注噢，小编专注解说天文人文科学小知识，每日更新。
本篇文章小编自己【碧寒清】原创，转载标明出处，谢谢！拒绝剽窃，发现必究！