基本介紹
發展現狀,國外發展,國內發展,原理,工作方案,局限性,發展方向,
發展現狀
量子通信技術自從1992年第一個量子密鑰分發實驗成功以來，在國內外都得到了迅猛發展。
國外發展
為了解國外的發展歷程，下面列出國外的幾個量子通信實驗：
（1）1993年，英國國防部研究局實現了在光纖中利用BB84協定進行了10km距離上的量子密鑰分發。
（2）2000年，美國阿拉莫斯國家實驗室實現了1.6km自由空間的量子密鑰分發。
（3）2002年，瑞士日內瓦大學的Gisin小組在67km的光纖上演示了量子密鑰分發。
（4）2004年，日本NEC公司在光纖上量子密鑰分發距離達到了150km。
（5）2006年，德國、奧地利、義大利、英國的4所大學在兩個海島之間進行了夜晚144km的自由空間量子密鑰分發實驗。
（6）2008年，歐盟在維也納開通了有8個用戶的量子網路。
（7）2008年，義大利和奧地利的科學家首次識別出從1500km高的衛星上反射回地球的單批光子，從而為星地量子通信打下了基礎。
（8）歐盟計畫於2017年發射量子通信衛星，實現星地量子通信。
國內發展
在國內，量子通信以中國科技大學的潘建偉和郭光燦兩個研究小組為主，他們的研究成果經常發表於《Nature》等重要國際刊物。可以說，中國的量子通信水平已居世界前列。以下是中國學者在量子通信領域的主要發展歷程：
（1）1995年，中國科學院物理所首次用BB84協定完成了演示實驗。
（2）2003年，中國科技大學在校園內鋪設了3.2km的量子通信系統。
（3）2005年，郭光燦小組在北京和天津之間完成了125km的光纖量子通信實驗。
（4）2012年，潘建偉團隊建設成功“合肥城域量子通信實驗示範網”。該網路有46個節點，連線40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。
（5）2012年，中國學者在青海湖完成了百公里量級糾纏光子對的量子密鑰分發實驗。
（6）2013年，中國科學院聯合相關部門啟動了上千公里的光纖量子通信骨幹網工程“京滬幹線”項目。這一項目於2017年9月29日正式開通。
（7）2016年，中國酒泉衛星發射中心發射了全球首顆量子通信實驗衛星，目標是實現北京和烏魯木齊之間的量子保密通信，並且在德令哈和麗江之間實現了距離1200km的大尺度量子非定域性檢驗，還在衛星和阿里之間實現了星地量子隱形傳態。該衛星質量約640kg，運行在高度為500km的軌道上。衛星上有4個載荷：量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子試驗與控制處理機，可與地面上相距千公里量級的兩處光學站同時建立量子光路連結。
原理
（1）量子糾纏
量子糾纏描述複合系統（具有兩個以上的成員系統）之一類特殊的量子態，此量子態無法分解為成員系統各自量子態之張量積。量子糾纏技術起到安全的傳輸信息的目的。利用固定的兩個量子態糾纏的粒子，攜帶信息傳遞到另一個地區，根據糾纏原理，必須是和它糾纏的粒子才可與其再次形成糾纏態。這樣便可以起到很好的加密作用：即A和B兩個糾纏的粒子表達一定的信息，以A為密鑰，把B傳送到另一地點，那么若想破譯信息，則必須用A粒子再次和B形成糾纏態方可破譯。這樣大大保證了信息傳遞的安全，且破譯具有唯一性。
（2）量子不可克隆定理
其具體內容可從以下三方面表述：
①不存在任何物理過程，能做出兩個不同的非正交態的完全拷貝。
②量子系統的任意未知量子態不能被完全拷貝。
③要從編碼在非正交量子態中獲得信息，這些態不遭破壞是不可能的。
（3）量子密鑰分配
秘密通信依賴於密鑰，如果傳送者Alice和接收者Bob 通信雙方擁有他們自己才知道的私人密鑰，就可以進行秘密通信。Alice可以把密鑰的對應位加上她的訊息編碼的每一位，傳送給Bob，Bob收到這個隨機位串後，利用密鑰就可提取出Alice發來的訊息。竊聽者即使截獲傳輸中的信號，也不可能獲得任何訊息，因為單獨傳輸中的位串本身並不攜帶訊息，訊息是編碼在傳輸串和密鑰相關中的。
（4）量子隱形傳態
量子隱形傳態又稱量子遙傳、量子隱形傳輸、量子隱形傳送、量子遠距傳輸或量子遠傳，是一種利用分散量子纏結與一些物理訊息的轉換來傳送量子態至任意距離的位置的技術，是一種全新的通信方式。它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息。
工作方案
量子通信有兩種方案。
一種是直接通信方案，常見的如“桌球協定“等，是採用量子通信手段直接傳送信息。這種方案也叫量子隱形傳態，是將甲地的某一粒子的未知量子態，瞬間轉移給乙地的另一個粒子。但量子隱形傳態目前處於實驗室階段，在實際的量子通信中尚未有成功實現的報導。
另一種套用最廣、發展勢頭正猛的是間接通信方案，也稱為量子密鑰分發方案。它有兩個信道：一個是經典信道，使用普通的有線或無線方法傳送密文；另一個是量子信道，專門用於產生密鑰。每傳送一次信息，通信雙方都要重新生成新的密鑰，即每次加密的密鑰都不一樣，實現了報文傳送的“一次一密”，並且在密鑰傳送的過程中還可以檢測有無偵聽者，所以它可以在原理上實現絕對安全可靠的通信。目前所謂的量子通信一般採用的是通過量子信道分發密鑰的方案。
局限性
量子通信技術的局限性主要表現在以下方面：
（1）量子通信採用點對點的方式，限制了其靈活性和機動性。若採用星地通信，則只有當衛星經過接收者頭頂上方時才能進行。這也決定了量子通信不適合用於情況瞬息萬變的戰場通信，只適合用於線路固定的軍事指揮通信。
（2）量子通信採用的單光子傳輸方式，對使用環境有較高要求。如果是在自由空間傳輸，只能在晴朗無霧的夜晚進行通信，以避免背景光源和塵埃對單光子的影響。
（3）單光子傳輸方式決定了很難實現遠距離高速的量子密鑰分發。目前的單光子通信距離在光纖中雖然達到了100km甚至更遠距離，但光子的損耗很大，導致成碼率很低。如果要提高成碼率，必須降低光子在光纖中一次性傳輸的距離。
發展方向
量子通信技術發展成熟後，將廣泛地套用于軍事保密通信及政府機關、軍工企業、金融、科研院所和其他需要高保密通信的場合。量子通信未來有以下幾個發展方向：
（1）採用量子中繼技術，擴大通信距離。由於單光子在傳輸過程中損耗很大，對於遠距離傳輸，必須採用中繼技術。然而量子態的非克隆原理給量子中繼出了很大難題，因為量子態不可複製，所以量子中繼不能像普通的信號中繼一樣，把弱信號接收放大後再轉發出去。量子中繼只能是在光子到達最遠傳輸距離之前接收其信號，先存儲起來，再讀出這個信號，最後以單光子形式傳送出去。量子中繼有很多方案，包括光量子方案、固態原子方案等。
（2）採用星地通信方式，實現遠程傳輸。採用衛星通信後，兩地之間的量子通信更加方便快捷。在真空環境中，光子基本無損耗，損耗主要發生在距地面較低的大氣中。
（3）建立量子通信網路，實現多地相互通信。量子通信要想實用化，必須覆蓋多地形成網路。國內外都建成了多個實用的量子通信網路，下一步的發展是擴大節點數，擴展通信距離，形成大覆蓋面積的廣域網。
