中国量子通信又双叒新纪录！一文读懂量子通信是什么？（附视频讲解）
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【引中科院】6月15日下午，中科院举办线上新闻发布会，潘建伟院士介绍了最新进展，借用了4年前发射的“墨子号”卫星，实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信。
团队的论文 “基于纠缠的1120公里安全量子加密（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres）” 现已在 Nature 发表[1]。
通信的距离从过去的百公里级别，刷新达到了千公里级的世界新记录。这一突破，标志着量子技术在量子通信领域的应用又有了新的高度。
当然，量子保密通信素来褒贬不一，怀疑者比比皆是，本文通过相关的资料的整理，帮您分解量子保密通信的基本技术和原理，更加理解这个技术的意义或价值。
什么是量子保密通信 ？
量子保密通信是指利用量子力学特有的量子纠缠现象，进行信息传递的一种新型的通讯方式。
其与量子信息处理和量子隐形传态(Quantum teleportation)密切相关，是量子信息科学应用中与量子计算并排的两大应用之一， 量子通信最有趣的应用是保护信息通道免受窃听。
我们常听到的量子保密通信，是采用量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）密码协议的安全通信方法。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密讯息。当然，人们经常把QKD和量子密码学这一概念混淆，而QKD仅为量子密码学里最为著名的一个用例。
量子密钥分发独特的性质在于，如果有第三方试图窃听密码，则通信的双方就会发现有第三方侵入。其内在的核心运用了量子力学的基本原理：对量子系统的任何测量都会对系统产生干扰。
如下视频是QKD的原理演示：
（视频来源：CQT）
第三方如果试图窃听密码，就必须采用某种方式测量它，而这些偷窃测量会让通信双方发现异常。
量子保密通信采用了与量子计算一致的量子比特作为信息载体，通过叠加（Superpostion）或者纠缠（entanglement）的状态来传输信息。
通信双方会考虑自然环境影响对系统影响，而设定一个窃听最低标准，当窃听可能性低于设定的标准时，一个安全的、可用秘钥就诞生了。
这样获取秘钥的方式和传统密码学不同，传统密码学使用数学算法的计算复杂度方式来获取，两者之间有本质上的区别，一个是算法上的，一个是物理的。传统密码学无法觉察到窃听者，从而无法保证秘钥的安全。而QKD则能规避这一短板，而且它具有前向安全性。
但是需要强调的是，量子密钥分发只用于产生和分发密钥，并没有传输任何实质的讯息。
量子保密通信主要涉及：量子密码、量子隐形传态和量子密集编码等。随着不断的突破，这门学科已逐步从理论走向实验，并走出实验室，向实用化迈进。
目前，世界上已有美国、欧洲、中国、俄罗斯等多个研究小组和机构致力于量子通信网的研发。
量子客曾经播报过[3]，中国领先的量子通信公司国盾量子，在科创板上市委过会的新闻，当然，现在国盾量子已在科创板IPO注册通过。
量子保密通信的挑战
在2008年8月，潘建伟教授团队研制20km级3方量子电话网络[4]，但遇到了远距离通信的挑战，这样的挑战是全球研究者共同面对的问题。
前面提到，获取秘钥的方式与传统密码学的区别在于，量子秘钥分发需要依靠物理介质，使用物理介质会遇到两个关键性问题：
一是物理介质本身的材料属性（受环境等影响）会带来限制。
二是通信距离增加后，信号随长度的增加会衰减，到一定临界值时候，就无法使用。因此必须采用中继器对信号数据重新发送或者转发，以便于扩大传输距离。但中继器的出现就与不能窃听的安全通信这一出发点相悖。因为每增加一个中继器，安全隐患因素就增加一个量级（窃听可能出现在中继站处）。
如果长距离量子纠缠得以实现，那量子秘钥分发就是自然而然的事情了。远距离和在实验室可使用相同的方式进行。而要达到这一目的，就需要用到量子卫星这个”神器“。
"墨子号“量子卫星是何方神圣？
中国量子科学实验卫星，简称“墨子号”，为了纪念我国战国时期科学家墨家学派的创始人墨子，在物理学尤其光学领域的突出成就，而取该名字。
墨子号是首颗量子科学实验卫星，重量为631kg，设计预期的使用寿命是2年。
量子卫星项目是中国科学院空间科学先导专项项目之一，在2011年12月立项，通过5年的研究准备，于2016年8月16日1时40分，在酒泉卫星发射中心搭载长征二号丁运载火箭升空，成为全球第一颗设计用于进行量子科学实验的卫星(注意，卫星本身并没有使用量子力学原理特性而区别于其他卫星)。
墨子号第一步突破，远距离保持纠缠
2017年6月16日墨子号成功实现两个量子纠缠光子，被分发到相距超过1200公里的距离后，仍可继续保持其量子纠缠的状态。只要保持了稳定的纠缠，就为秘钥分发打下基础。该年度出色的工作，使得墨子号2019年获美国《科学》杂志评选得克利夫兰奖[2]。
但遗憾的是，虽然获奖了，但潘建伟教授的领奖签证受到阻碍，由于个人签证处于“行政审理”状态，无缘出席活动，仅第一作者印娟教授前去领奖。
但是可喜的是，这是美国科学促进会颁发克利夫兰奖90多年来，中国科学家团队首次获得这一重要荣誉。
保持远距离纠缠，是安全通信非常关键的一步，通信双方需要各自持有纠缠态中的一个。过去，类似的远距离纠缠实验都是地球上进行。采用卫星的方式是大胆而且耗资巨大的。
至少，需要考量是否有这个能力，把卫星送上天这一标准，大部分国家望尘莫及。
墨子号第二步突破，实现远距离通信
墨子号设计使用寿命是2年，理论上来说2019年，墨子号就需要”下岗“。但昨日（2020年6月15日），Nature发文，通过墨子号，此次做到了无中继的量子保密通信，从过去的百公里级提高到千公里级别，具体是1120km，瞬间提高了一个数量级。
重要的是，由于是无中继通信，就免去了中间可能的信息偷窃行为。即使量子卫星被”挟持“了，依然能做到保密通信。
此次成果，验证了基于地外卫星的QKD方案，可在远距离和安全性上超此前的方案。这为实现全球覆盖的广域量子通信网络打下了基础。
参考链接：
[1] Juan Yin, Yu-Huai Li, Sheng-Kai Liao , et al. Entanglement-based secure quantum cryptography over 1120 kilometres [J]. Nature, 2020 （https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y）
[2] http://www.takungpao.com.hk/news/232108/2019/0222/250844.html
[3] https://www.qtumist.com/post/9791
[4] China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)