引子
如果你對量子通信非常了解，可以忽略本文？如果對該領域不了解，那么可以通過本文了解量子通信的一些基本知識。筆者也在網上看了很多文章，發現如果是新手根本無從下手去理解量子通信，因為大部人并不是專業領域的人。所以筆者從一個學習者的角度，去梳理和解釋量子通信。同時本文盡量減少采用專業術語，使用通俗的語言和例子帶大家了解量子通信！文章幾乎沒有復制粘貼，90％以上的文字都是基于自己的理解進行碼字，難免有不嚴謹之處，但不影響新手閱讀。
討論范圍
最近一直炒得很熱的就是量子通信，可以參考下圖，量子通信就是量子力學和信息科學結合帶來的產物。本文我們只討論量子通信，且重點是量子密碼。
量子定義
何為量子？量子是攜帶能量的最小單位。就像光就是由無數光量子組成的，比如一速陽光從太陽到達了地球，傳遞了多少能量呢，我們就可以數數到底有多少光量子到達了地球。光量子不能再分了，已經是最小的攜帶能量的單位了。
為了簡化理解，我們把量子比作一個有狀態的小球，有什么狀態我們待會再說。
拋出觀點
1、 常規數據通信，包括光纖通信，信息有被竊取的風險。
2、 通過秘鑰對信息進行加密和解密的方案，目前雖然是主流。但并不是絕對安全。
3、 靠量子糾纏不能進行常規安全數據通信，至少當前技術上無法實現
4、 量子秘鑰分發技術，可以實現絕對的數據安全
5、 量子秘鑰分發，理論上可以借用量子糾纏，也可以不用。實際應用中不會用到，量子糾纏。
6、 量子通信的最大安全距離不斷提升
觀點證明
一、普通光纖通信的安全問題
光纖通信是目前常規的通信方式，幾乎所有的通信都要走光纖。但光纖通信中的所有數據，都可以很容易的被竊聽者獲取。獲取到辦法也很簡單。
方法一：通過分離光束法，簡單來說就是把光纖切斷，中間接個竊聽設備。設備只捕獲部分光，其余大部分光都放通，通過這種手段竊取信息。
方法二：彎曲耦合光纖的方法。光在光纖中基于全反射的原理，光不會泄露。但只要光纖彎曲炒股一定弧度，那么就會有部分光射出來了，光信號就泄露了。
二、普通秘鑰的安全性問題
既然，光纖通信中，數據不可能避免被竊取的風險，那么可以引入秘鑰對數據加密。即使數據丟了，也是密文。比如舉個例子，發送方發了要發送，“it is a pig”，他采用了字母向前移動1位的方法，并且將發放告訴了接受方，所以“it is a pig”在發送時，被加密成了 “ju jt a qjh”。解密方使用將字母向后移動一位的方法，將加密信息還原。
如上表，但是這種方案有諸多問題。 第一，容易被猜到，在密文中反復出現的字母，很容易被猜出來，進而破解算法和秘鑰。比如 ju jt b qjh中的j出現較多，很容易被裁成i。
第二，秘鑰如何傳遞，秘鑰的傳遞也是通過傳統信道，同樣容易被盜。
信息論的創始人香農（Claude E ． Shannon）證明了一個數學定理：密鑰如果滿足三個條件，那么通信就是“絕對安全”的。
1）密鑰是一串隨機的字符串；2）密鑰的長度跟明文一樣，甚至更長；3）每傳送一次密文就更換密鑰，即“一次一密”。
如下圖，為了傳遞 it is a pig 這8個字母，我的秘鑰也是8位的。下次傳輸其他數據時，還要更換秘鑰。
香農的定理聽起來好像已經解決了保密通信的問題，但其實沒有。真正的難題在于，怎么把密鑰從一方傳給另一方？
業界還有里那個外一種秘鑰加密方案，叫RSA非對稱加密。這種秘鑰方案可以不用傳遞秘鑰，也就排除了秘鑰在傳遞過程中的風險。主要的思想是，接受者傳遞公鑰，自己保留私鑰，公鑰用于加密，但是公鑰無法解密。也就是公鑰雖然傳輸，但是竊密者拿到公鑰沒辦法解密。其實RSA這種非對稱加密，并不是沒辦法解密，只是基于當前的計算機算力無法在短時間破解。有興趣的可以去網上了解下，破解的過程主要難點在于如何是將一個超大的數拆成2個素數的積。
但是RSA還是有被破解的可能，尤其是已經通過實驗在量子計算領域將破解RSA算法的算力有了指數級的降低。
到這里，我們知道了，我們目前使用的秘鑰方案，都不是絕對安全的。
三、靠量子糾纏進行安全通信的不靠譜性
我們在看看基于當前技術，有沒有一種不靠秘鑰，靠構建一條安全通道，或者說隱秘通道讓信息安全傳輸呢？
有人之前聽過量子的一些基本概念，說可以靠量子糾纏來實現。這是最常見的對量子通信的誤解。
量子糾纏，有人說是兩個量子鬼魅般的超距作用，量子A伸左手，量子B就伸右手，并且是同時發生，不存在傳遞的時間。由于中間沒有傳輸時間和傳輸介質，有理想的人就提出了，這樣就可以實現超光速且不可被竊聽的安全通信了。對、這只是幻想，他違背了愛伊斯坦的相對論，信息傳遞不可能超光速。
在這里我們還要拋出幾個觀點來佐證為什么量子糾纏不能傳遞發送者的有效信息
1） 通過量子糾纏（隱態傳輸），連發送方都不知道自己傳遞了什么信息。
2） 量子糾纏只能在實驗室進行，距離應用還要很遠的路要走
3）靠單量子取代現有通信方式，目前也很難進入應用領域
為什么量子糾纏（隱態傳輸），連發送方都不知道傳遞了什么信息？
啥叫糾纏，簡單來說，就是兩個量子如果處于糾纏態，那么他們的狀態完全相反，不管離多遠。但是糾纏態還是可以被打破，只要有設備對其中一個量子造成了影響，比如測量操作。但是如果不測量，發送方自己都不知道這個量子處于什么狀態。這樣如何傳遞預設的信息？
量子糾纏只能在實驗室進行，距離應用還要很遠的路要走
由于工程技術現在還達不到應用級別的量子糾纏分發能力，所以距離應用還比較遙遠。
靠單量子取代現有通信方式，目前也很難進入應用領域
不用量子糾纏，使用常規量子通信目前也很難應用，問題主要是通信距離太短，生成量子的成碼率太低。
四、量子秘鑰分發技術，可以實現絕對的數據安全
繼續拋出幾個觀點
1） 量子秘鑰分發基于“單個量子”和“量子不可測量”兩個條件保障安全
2） 量子秘鑰分發，不使用量子糾纏
量子秘鑰分發基于“單個量子”和“量子不可測量”兩個條件保障安全
為了便于大家理解，我們舉例說明
如上圖，假設量子是發送者從高空自由落體的一個球，這個球的狀態信息就是下落時處于圓盤的角度。下邊放了一些同心圓盤。圓盤在0°、45°、90°和135°的扇面打了孔。如果球的下落角度正對著孔，那么通過圓盤時，圓盤的主人就會知道球是從哪個孔下落的。
由于小球在接觸圓盤A之前，我們無法得知其運動的線路。當小球接觸到圓盤A時，會隨機選擇一個孔穿過A，之后小球會一直沿著該直線下落。比如從A的90°口穿過后，會一直穿過B的90°口，狀態不會改變。
球落到C盤以后，如果C盤沒有90°和0°，那么球就會隨機（50％概率）的從45°或者135°孔穿過C盤下落。
以上在中間設置圓盤的動作，就是測量。只有測量了，才知道球的運動角度。但是我們不知道球在接觸A盤之前是什么角度下來的，可能是360°任何一個角度（延伸一下：每個角度都可以作為一個量子比特，所以量子比特很大）。通過圓盤時，我們只有幾個孔，讓球從其中一個孔掉落，這就破壞了原來的狀態。這也叫做量子的不可測量，雖然你測量了，但是你測量的并不精確。
我們如何通過量子的不可測量來分發秘鑰？我們接著舉例，同時也接近事實
如上圖，
1、定義兩種圓盤，即A型0°和90°， B型（45°和135°），
2、定義量子比特，0°和45°代表比特位0， 90°和135°代表比特位1
即每一組圓盤中都有兩個孔，如果通過了量子，都能代表0或者1．
通信過程舉例：發送4個量子
1、發送者隨機使用 ABBB 圓盤讓量子通過（ABBB是隨機選擇的）
發現量子的方向為90°、45°、135°、45°，即1010
2、接受者隨機使用 BABB（隨機選擇） 圓盤讓量子通過即x？°、x？°、135°、45°。由于前兩個圓盤A和B用的不一致，造成量子狀態改變，所以A和B約定圓盤不一致的測量作廢。那怎么知道他們用的圓盤是否一致，接受者直接使用傳統的通信方式（非加密）告訴發送者即可。不用擔心泄密，因為每個圓盤都有兩個孔，并沒有讓竊聽者知道從哪個孔下去的，代表0還是1．
3、這樣我們知道發送者ABBB，接受者使用BABB，只有后兩個圓盤一致，只取后兩個數，后兩個數發送者和接受者都知道是10，秘鑰發送完畢。
這時候，你會說，有人竊聽秘鑰怎么辦？
參考上圖，看看我們是如何抓賊的。
由于發送者和接受者，只選擇相同的圓盤通過的球角度作為有效傳輸的信息。那么我們就要知道這些有效的比特是否被竊聽者觀測過，即中間是否有竊聽者的圓盤。
想一下，用概率計算就是：竊聽者有1／2概率用錯圓盤，只要竊聽者用錯了圓盤，量子就會改變角度，如上圖，從90°變成45°或者135°。量子就有1／2的概率從不同于發送者的孔通過。那么發送者和接受者收到的信息就不一致。這個不一致也叫做誤碼。如果竊聽者使用了圓盤竊聽，那么不一致的概率是1／2 × 1／2 ＝ 1／4。我們必須要保障誤碼率為0。
所以為了知道有沒有竊聽，發送者和接受者決定公布一小段信息，讓收發雙方核對。這是第二次公布信息，如果公布的信息雙方有不一致的位，那么就有人竊聽，就會終止加密傳輸。你會問，公布了一段信息，那不就不安全了嗎？沒關系，比如我們想傳遞一個128位的秘鑰，我們傳遞160位，然后公布32位用于判斷是否有竊聽即可。
這一套抓賊方案，也叫做BB84協議，是不是非常巧妙。
既然可以通過這么巧妙的協議就可以打造絕對安全的秘鑰通信，那么為什么量子秘鑰只有近幾年才火起來，并且只有中國做的比較好呢？
剛才提到只有滿足單光量子以及不可測量兩個條件才能保障安全。但在應用場景中，科學家們也很難高效的制造出單光量子。并且在長距離傳輸過程，還會有損耗。光量子在光纖中超過20公里可能就損耗掉了。所以目前只能以光脈沖的形式隨機發送，有時候是單光量子，有時候是多個光量子。這就又給竊聽者帶來了機會。竊聽者可以在遇到單光子時攔截下來不讓通過，在遇到多個光子時拿走一個，讓其余的光子通過。通信雙方難以分辨光子的減少是來自竊聽還是來自信道的自然損耗。
2003－2005年，韓國科學家黃元瑛（Hwang W． Y．）和中國科學家王向斌、羅開廣等人想出了一種巧妙的辦法，就是“誘騙態協議”。這個協議比較難講明白，大致意思就是，有些單光子和多光子是我要傳遞的信息，有些是誘騙的信息。兩種光子損耗率不同，竊聽者無法區別對待，那么收發雙方就很容易得知，損失的光子是自然損耗還是有人竊取。這個地方也可以上網去查誘騙太協議，如果你不是絕對發燒友，就別去查了。你只需要了解現實中的量子秘鑰分發，還不是絕對的單量子。
量子信息借助量子力學和信息學的種種突破，在理論上已經比較成熟。但需要通過實驗和實踐進行推動，我國在應用領域目前已經走在世界前列。
五、量子秘鑰分發，理論上可以借用量子糾纏，也可以不用。實際應用中不會用到量子糾纏。
這個很容易理解，我們知道了不用量子糾纏就可以實現秘鑰的安全分發，干嘛要用量子糾纏？并且制造量子糾纏態的成本很高，并且很難高效，批量的生成。
六、量子通信的最大安全距離不斷提升
我們提到過，光子在光纖中損耗很大，基本20千米就是極限。每加長15千米，損耗就會加倍。依賴單光量子通信，很難實現遠距離秘鑰分發。
我們前邊還提到過，可以基于誘騙太協議，實現單光子和多光子組合的方式傳輸，這使得遠距離傳輸成為可能。2016年8月16日，墨子號量子衛星上天時，光纖中的安全傳輸距離已經超過了200公里。2016年11月，中國科學技術大學、清華大學、中科院上海微系統與信息技術研究所、濟南量子技術研究院等單位合作，又把安全傳輸距離提高到了404公里，而且在102公里處的安全成碼率已經足以保證安全的語音通話。也就是說，間隔102公里的量子保密電話已經是在技術上可行的了。
傳統的光纖傳輸是通過中繼的，在量子秘鑰分發的方案中同樣可以使用中繼。
假設我們有一串節點，記作1號、2號、3號……，最后是n號。先在1號和2號之間建立量子通信，產生一個密鑰，記作k1。然后在2號和3號之間建立量子通信，產生一個密鑰，記作k2。2號把k1作為待傳輸的明文，用k2對它加密，傳輸給3號。3號同樣把k1傳輸給4號，4號把k1傳輸給5號，……一路把k1傳輸給n號。最后1號把真正要傳輸的信息用k1加密，用任意的通信方式傳給n號，就完成了。
京滬干線做的事情，就是在北京、濟南、合肥、上海的內部量子網絡的基礎上，通過32個中繼節點（包括兩端）把它們連接起來。這樣，就可以在2000公里的范圍內，實現量子保密通信
還有一種中繼方式就是通過衛星。通過衛星理論上是可以覆蓋全球的，并且光在空中的損耗比光纖中小的多。但是長距離讓光從地面對準衛星發射確實很難，首先距離遠，其次光信號很微弱，你不能用強光，用強光意味著就是激光通信，就不是量子通信了。這個瞄準工作，被中國的科學家們完成了，對，就是用墨子號量子科學衛星做的。
延伸閱讀 關于量子不可精確觀測
量子加密通信主要是源于量子的不可精確測量和不可克隆。也就是說當你看到了量子的狀態，量子由于你的觀測就會改變原來的狀態。要觀察量子，你就需要感知它，我們不能通過眼睛觀察，因為量子已經是能量的最小單位了，他不可能想宏觀物體一樣發光，發熱讓我們感知。我們要感知它，同樣要使用光線（也是一堆光量子）對單個光量子進行相關影響的測量，但測量結果是無法精確的，并且會改變單個光量子的狀態。
舉個例子，大家肯定聽過薛定諤的貓，就好比箱子里有個貓，貓是死是活沒有“人”知道，如果打開箱子，箱子就會進入毒氣將貓毒死。如果不打開，“人”永遠不知道貓是死是活。
其實不可測量在經典物理中同樣適用，只不過微乎其微罷了。比如黑暗中有個物體，你要測量它的質量或者運動狀態，我們就需要光或者紅外裝置，甚至雷達波之類的照射物體。但是只要照射物體就會有光子對物體產生了影響，會發生微乎其微的質量、運動狀態的變化。我們想一下，如果物體能量小到不能再小的時候，任何其他能量對其測量都會造成非常大的影響。這就是量子的不可精確觀測。
接下來的內容，比較發散，也沒有絕對的對錯，有選擇性的看吧。
人類認識的世界，永遠都是建立在人們獲取到的信息的基礎上，人類無法感知的信息不是人類世界。有人認為薛定諤貓是死是活在非人類世界已經是事實，只是人類世界不知道，有這種觀點的人是決定論支持者，也就是未來會發生什么都是已經注定了，就想你現在正在看這篇文章，正在質疑這種觀點一樣。還有人認為貓是死是活必須在人類世界決定，貓是死是活是一個概率事件，在被人類觀測到之前，這只貓是一個死和活之間的中間態，這部分人認為世界是隨機的。
啟迪云 王立波