墨子发射后整个世界炸锅了！还不知道什么是量子通信？快看~|干货整理
这几天，都在谈量子通信，要知道，量子通信卫星这可是美国和俄罗斯都处于设想阶段的东东，如今让中国人抢得了先机。那么什么是量子卫星呢？为什么说外国无法破解中国量子密钥技术！?
军事专家谷火平介绍，量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，其安全性和高效性都远在传统通信技术之上。如果将量子通信应用到军事领域，那么绝对不会发生“泄密”的问题，这是因为量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信息，所以说量子通讯技术被认为是人类科技发展史上又一个革命性技术。同时，量子通信既没有电磁辐射， 也没有强光辐射， 敌方难以截获和破坏我方密码。
为什么说外国无法破解中国量子密钥技术！?
科普中国带来权威解释：
量子密钥分配利用“单量子不可克隆定理”来实现密钥配送的绝对安全。“不可克隆定理”（No-Cloning Theorem）是“海森堡测不准原理”的推论，它是指量子力学中对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的，因为复制的前提是测量，而测量一般会改变该量子的状态。
图1为量子密钥分配的原理示意图，图1左图中的小黄球代表单个光子，黑色箭头代表光子的偏振方向，左边蓝色人是信息发送方，而绿色人是接收方。收发双方都手持偏振滤色片，发送方有四种不同的滤色片，分别为上下、左右偏振（第一组）、上左下右、上右下左偏振（第3组）4种滤色片，发送方把不同的滤色片遮于光子源前，就可分别得到4种不同偏振的光子，分别用来代表“0”和“1”。请注意，每个代码对应于两种不同的光子偏振状态，它们出自两组不同偏振滤色片（图1中的左下角，它和通常光通信的编码不尽相同）。接收方就只有两种偏振滤色片，上下左右开缝的“+”字式和斜交开缝的“×”字式。由于接收方无法预知到达的每个光子的偏振状态，他只能随机挑选两种偏振滤色片的一种。接收方如果使用了“+”字滤色片，上下或左右偏振的光子可以保持原量子状态顺利通过（见图中上面的第一选择，接收方用了正确的滤色片），而上左下右、上右下左偏振的光子在通过时量子状态改变，变成上下或左右偏振且状态不确定（见图1中第四选择，用了错误的滤色片）。接送方如果使用×字滤色片情况正好相反，见图1中第2选择（错误）和第3选择（正确）。
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图1 量子密钥分配技术原理示意
图1右图第1横排是发送方使用的不同偏振滤色片，从左至右将9个不同偏振状态的光子随时间先后逐个发送给下面绿色接收方，这些光子列于第2排。接收方随机使用“+”字或“×”字偏振滤色片将送来的光子逐一过滤，见第3排，接收到的9个光子的状态显示在第4排。
这里是密钥（key）产生的关键步骤：接收方通过公开信道（电子邮件或电话）把自己使用的偏振滤色片的序列告知发送方，发送方把接收方滤色片的序列与自己使用的序列逐一对照，然后告知接收方哪几次用了正确的滤色片（图2，打勾✔的1，4，5，7，9）。对应于这些用了正确滤色片后接收到的光子状态的代码是：00110，接发双方对此都心知肚明、毫无疑义，这组代码就是它们两人共享的密钥。
为什么第三者不可能截获这个密钥？假设窃密者在公开信道上得知了接送方使用的偏振滤色片序列，也知道了发送方的确认信息（图2，打勾✔的1，4，5，7，9），但是窃密者依旧无法确认密钥序列。譬如对第一列，窃密者知道接收方用的是“十”字滤色片，而且发送方确认是对的，但这可能对应于上下或左右偏振的两种不同的光子，它们分别代表“1”或“0”，除了发送和接收双方都清楚知道，窃密者是无法确认的。窃密者真要确认的话，也要在中途插入偏振滤色片来观察，但它又无法事先知道应该使用“十”还是“×”滤色片，一旦使用错误滤色片，光子状态改变，窃密的行为立即暴露。再以第一列光子为例，如果窃密者在接收端前插入“×”滤色片，光子偏振状态可能改变成上右下左的斜偏振，接收方仍使用“十”滤色片，得到左右偏振光子，经确认后此位变成“1”。结果通信双方的密钥在第一位不一致，这种出错经过奇偶校验核对非常容易发现和纠正。通常的做法是通信双方交换很长的光子序列，得到确认的密钥后分段使用奇偶校验核对，出错段被认为是技术误差或已被中间窃听，则整段予以删除，留下的序列就是绝对可靠的共享密钥。有必要指出本文仅作基本原理的介绍，工程实现中的细节不再赘述。量子密钥分配方法除了BB84协议外还有E91协议。
图2 量子密钥分配技术工程示意
量子密钥分配技术中的密钥的每一位是依靠单个光子传送的，单个光子的量子行为使得窃密者企图截获并复制光子的状态而不被察觉成为不可能。而普通光通信中每个脉冲包含千千万万个光子，其中单个光子的量子行为被群体的统计行为所淹没，窃密者在海量光子流中截取一小部光子根本无法被通信两端用户所察觉，因而传送的密钥是不安全的，用不安全密钥加密后的数据资料一定也是不安全的。量子密钥分配技术的关键是产生、传送和检测具有多种偏振态的单个光子流，特种的偏振滤色片，单光子感应器和超低温环境使得这种技术成为可能。
量子密钥分配光纤网络上传送的是单个光子序列，所以数据传输速度远远低于普通光纤通信网络，它不能用来传送大量的数据文件和图片，它是专门用来传送对称密码体制中的密钥，当通信双方交换并确认共享了绝对安全的密钥后，再用此密钥对大量数据加密后在不安全的高速网络上传送。
“量子通信”这个词容易使人误解，到目前为止，实际上量子通信指的就是量子密钥分配技术。量子密钥分配光纤虽然是低速网络，但每秒种传送上千位的密钥没有任何问题，通信双方有确保安全的几百位长的密钥，而且分分秒秒可以随时更换密钥，通信安全就有了非常可靠的保障。量子密钥分配技术的基础是物理而不是数学。面对信息安全危机，量子密钥分配技术充当了救世主的角色，它为信息科学的进一步发展筑起了坚实的基础。
来源：科普中国
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►现实增强技术（AR）解释量子卫星。视频时长3分23秒
中国在量子通信方面另一个突破就是大尺度光纤量子通信骨干网将于2016年下半年建成，这是一个高可信、可扩展的广域光纤量子通信网络，建成后将广泛用于金融、政务等领域信息的安全传输。除了在量子通信科研方面取得了突破性进展，中国科研团队还在量子计算与模拟、量子精密测量方面展开攻关。量子计算利用量子态的叠加性质可以实现计算能力的飞跃，比如求解一个亿亿亿变量的方程组利用亿亿次的“天河”二号需要100年，利用万亿次的量子计算机则只需0.01秒，这将为解决密码分析、气象预报、药物设计等大规模计算难题提供全新的方案，美国再想破解中国信息秘密，可以说真是“臣妾做不到啊”。
国际著名科学家评中国首颗量子科学实验卫星
中国将发射人类首颗量子通讯试验卫星，意味着中国将先于欧美拥有量子通信覆盖全球的能力，大家可想而知其背后的军事和战略意义有多重大。随着中国基础科学技术的全面进步，我们在一些重要领域已经拥有了不逊于美国和俄罗斯的骄人成绩。所以对于未来，我们充满了期待！
国际同行对全球首颗量子科学实验卫星发表评论：
►意大利帕多瓦大学光学和激光纳米技术教授Paolo Villoresi（图片来源：Microsoft Academic Search）
对于量子信息研究来说，地面上的量子通信应用进展迅速，但自由空间量子通信还很落后，所以卫星在太空中实现量子通信实验是一个巨大的进步。
中国的量子空间卫星将为全球量子通信系统提供一个试验台。事实上，此次太空中有一些开放的实验项目我们是很感兴趣的。
我想，空间量子通信最初可能有点像早期的人造卫星,比较笨拙——被称为“无用的大块铁”，但一段时间后,就会变得像彩虹般有趣，提供很多有用的服务和信息。
►维也纳大学物理学教授Anton Zeilinger（图片来源：vcq.quantum.at）
我们正在与QUESS（Quantum Experiments at Space Scale，空间尺度的量子实验）的团队进行合作，我们负责搭建欧洲的地面站。合作进行得很顺利。在我看来，中国和奥地利之间实现洲际量子密钥分发将是最有趣的。未来，全球范围的量子互联网必然包括地面网络连接和空间网络连接，而QUESS将首次提供洲际网络链接。
这是首次实现全球尺度下的量子通信，是迈向未来量子互联网的重要一步。另外，它将提供迄今为止最大尺度的量子纠缠验证，未来如果运行顺利，它也一定会为相对论的验证提供重要信息。
中国在基础量子实验及其应用领域都做得非常出色。在下一次量子革命中，中国无疑是一个主要参与者。
►诺贝尔物理学奖得主、伊利诺伊大学香槟分校物理学教授Anthony J. Leggett（图片来源：physics.illinois.edu）
在太空上远距离地对量子力学的预测进行检验，我认为这将是非常有趣的一项试验。我特别感兴趣的是（即便在这颗卫星上无法实现），让人类观测员进行“贝尔－EPR”的测试[1]；假设他们的报告能够得出明确的结果，那么这就会为客观的定域性理论等此类问题的“棺材”上钉上最后一根钉子。
如果此次量子科学实验卫星上的实验能够获得成功，那么它肯定会为最终的“量子互联网”打下坚实的基础。但量子互联网是否将成为未来全球通信的潮流？我认为，量子互联网是否会建立起来，这取决于国际社会是否认为这种系统的收益是否大于成本。
►中国科学技术大学物理学教授潘建伟
“如果能弄明白为什么会有量子纠缠，我立即死都愿意。”
20多年前，潘建伟因对量子力学着迷而选择了从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验的研究。
20多年前，潘建伟因对量子力学着迷而选择了从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验的研究。
“墨子”的升空，在科学上将进一步检验量子力学基本原理。
在人类科学史上，可能没有一个学科像量子力学这样，几乎动用了近代所有物理学家的智慧，其本质仍在幽暗中闪烁，令人困惑。
“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”
说这话的人不是别人，是量子物理学大师级人物——尼尔斯·玻尔（Niels Henrik David Bohr）。
►尼尔斯·玻尔。来源：Wiki
在量子的世界里，盒子里的一只猫可以既死又活，直至我们打开盒子看看它；相距遥远的一对粒子可以存在“心灵感应”，一个粒子的状态随另一个瞬时变化。前者，我们叫它“量子叠加”，而后者，则是“量子纠缠”。
量子态叠加是指粒子可以同时处于不止一种状态的相干叠加。例如，同一时刻，电子自旋方向可以既是顺时针又是逆时针，或者原子同时处于激发态和基态[2]。而量子纠缠是指，两个微观世界的粒子可以具有某种状态上的关联，无论它们距离多远，只要其中一个被测量到处于某种状态，另一个也会在同时塌缩到某种状态。
量子世界里这两种带有神秘色彩的性质让无数物理学家为之着迷。在探寻其本质的道路上，世界上最顶尖的大脑共同推动着量子物理革命的发生，经典物理的大厦轰然倒塌。人类花了百年的时间，试图探究量子世界的图景。
来源：微信公众号知识分子
墨子号上去干啥？任务之一：研究量子纠缠
量子力学中最神秘的就是叠加态，而“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。这或许是未来的通信黑科技，为保不被时代抛弃，你最好现在就学习一下什么叫量子纠缠——
以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，能够用一个量子比特来表示，同时另一个粒子B也可以处于叠加态。当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，也就是纠缠态。例如，有一种纠缠态就是，无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。
如果用薛定谔的猫做比喻，即A和B两只猫如果形成上面的纠缠态：
那么无论两只猫相距多远，即便在宇宙的两端，当A猫是“死”的时候，B猫必然是“活”；当A猫是“活”的时候，B猫一定是“死”。
找一个和你超级合拍的小伙伴，穿上相反的颜色，在派对上里分头行动。假如没人搭理（观测）你们，就尽情放松；但只要有人和你交流，一定要和你的小伙伴协调一致：ta朝左旋，你就朝右；ta挥右手，你就挥左手。——这就是你和ta的量子纠缠。今年万圣节一定要试试看。
这种跨越空间瞬间影响双方的量子纠缠，曾经被爱因斯坦嘲笑为“远距离闹鬼”(spooky action at a distance)。
现在，一系列地面实验已经证明，当年被大佬们不屑一顾的“远距离闹鬼”真的存在。那么在空天领域，它是否也成立呢？墨子号上天，就将对这个方向进行验证。
这将是对量子力学完备性的检验，这是我们的野心。
而另一个任务则务实的多， 那就是发明一套不可窃听的通信方式——利用量子的特性
如果以上还让您搞不明白什么是量子通信，那卫网君只能出绝招了！！！
松鼠会的Sheldon（公众号ID：Sheldon42）是这样解释的：
声明：本文由《卫星与网络》原创文字、科普中国、果壳网等网络内容整理而成，如有侵权请联系我们，谢谢。
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