量子通信投稿期刊

量子密钥分发可以实现量子通信

中国科学院日前召开新闻发布会，宣布量子科学实验卫星“墨子号”在国际上首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态，两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。

至此，“墨子号”提前圆满实现全部三大既定科学目标，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

量子号科学实验任务（来源网络）

我们知道量子卫星有三大任务：通过量子卫星实现卫星和地面的量子密钥分发，从而实现广域的量子保密通信；对量子力学本身的基本原理进行检验的实验任务；连接中国和奥地利之间的量子通信网，以证明全球规模的量子通信网络设想是可行的。

我们知道量子通信作为迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，在金融、军事和政务等领域的应用前景得到了世界各国的广泛关注，那么这种保密措施通过何种方式实现？本次达成的量子密钥分发成就与量子通信又有什么关系？

量子密钥分发是什么？

保密通信是密码学的重要内容，其基本原理是采用密钥 （0，1的随机数列）通过加密算法将甲方要发送的信息（明文）变换成密文，在公开信道上发送到合法用户乙方处，乙方采用密钥从密文中提取所要的明文。

量子密码（图片来源于网络）

如果甲乙双方采用相同的密钥（即）则称为对称密码或私密密码。如果相反，则称为非对称密码或公开密码，其中公开密钥只为乙方私人拥有。如果任何窃听者在不知晓密钥却可以从秘文提取出明文，则这种密码体系是不安全的。

密钥使用流程（来源网络）

那么有没有令所有专家都无法破解的密码？有！

早在上世纪四十年代，著名的信息论鼻祖香农采用信息论严格证明，如果密钥长度与明文长度一样长，而且用过后不再重复使用，则这种密文是绝对无法破译的，俗称为“一次一密”。

那么为何这种“一次一密”的密码未被推广使用呢？原来 “一次一密”要大量消耗“密钥”，需要甲乙双方不断地更新密码本，而“密码本”的传送（称为“密钥分发”）本质上是不安全的。采用不安全的密钥来实施“一次一密”加密仍然是不安全的。

那么是否有什么办法可以确保密钥分发是安全的？

有，这就是“量子密钥分发”（缩写为“QKD”）！

量子密钥分发的优势

“量子密钥分发”应用到量子力学的基本特性（如量子不可克隆性，量子不确定性等）来确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现，这是QKD比传统密钥分发所具有的独特优势，后者原则上难于判断手头的密码本是否已被窃听者复制过。

QKD的另一个优点是无需保存“密码本”，只是在甲乙双方需要实施保密通信时，实时地进行量子密钥分发，然后使用这个被确认是安全的密钥实现“一次一密”的经典保密通信，这样可避开保存密码本的安全隐患。

量子密钥分发的过程

量子密钥分发的过程大致如下：单个光子通常作为偏振或相位自由度的量子比特，可以把欲传递的0，1随机数编码到这个量子叠加态上，比如，事先约定，光子的圆偏振代表1，线偏振代表0。光源发出一个光子，甲方随机地将每个光子分别制备成圆偏振态或线偏振态，然后发给合法用户乙方，乙方接收到光子，为确认它的偏振态（即0或1），便随机地采用圆偏光或线偏光的检偏器测量。

如果检偏器的类型恰好与被测的光子偏振态一致，则测出的随机数与甲所编码的随机数必然相同，否则，乙所测得的随机数就可能与甲方发射的不同。乙方把甲方发射来的光子逐一测量，记录下测量的结果。然后乙方经由公开信道告诉甲方他所采用的检偏器类型。

这时甲方便能知道乙方检测时哪些光子被正确地检测，哪些未被正确地检测，可能出错，于是他告诉乙方仅留下正确检测的结果作为密钥，这样双方就拥有完全一致的0，1随机数序列。

量子密钥分发图示（来源网络）

如果有窃听者在此过程中企图取这个密钥，他有两种策略：一是将甲发来的量子比特克隆后发给乙方。但量子不可克隆性确保窃听者无法克隆出正确的量子比特序列，因而也无法获得最终的密钥。

另一种是窃听者随机地选择检偏器，测量每个量子比特所编码的随机数，然后将测量后的量子比特冒充甲方的量子比特发送给乙方。按照量子力学的假定，测量必然会干扰量子态，因此这个“冒充”的量子比特与原始的量子比特可能不一样，这将导致甲乙双方最终形成的随机数序列出现误差，他们经由随机比对，只要发现误码率异常地高，便知有窃听者存在。

量子密钥分发和量子通信的关系

上述的保密通信，实质上是“一次一密”的经典通信，只是密钥是由QKD生成的，通常也称为量子保密通信。

量子密码是量子通信吗？答案是否定的！

所谓“通信”简单地说就是传递信息（即“明文”）。量子密码只是传送经典随机数而已，不包含有任何信息内容，因此，与“通信”无关。量子保密通信实际上包括由QKD生成的安全密码和“一次一密”经典通信两个部分，本质上仍然是经典通信。

真正的“量子通信”有其确切的内涵，即将信息编码在量子比特上，在量子通道上将量子比特从甲方传给乙方，直接实现信息的传递。那么这种真正的“量子通信”离我们究竟还有多远？

开启量子通信新时代

随着量子卫星的发射升空和下半年“京沪干线”的完工，中国的广域量子通信体系为率先建成全球化的量子通信卫星网络奠定了基础，“天地一体化”的量子通信网络即将铺就，历经30余年的量子信息研究也将步入深化应用的时代。也许就在不远的将来，量子通信技术将如同手机、电脑一般，走入寻常百姓家。

是真的，潘建伟在量子通信领域已达到多项成就，并不是伪科学，我们应当相信潘建伟的理论研究。

今年6月15日，中国科学家潘建伟团队在量子通讯技术研究上，再次获得世界级突破，相关研究结果也登上了最新一期的《Nature》，取得了举世瞩目的骄人成就。不过在国内，似乎关注的人并不太多，反而西方国家对这一突破 表现出了相当高的关注度。

在这次实验中，潘建伟团队从位于地面以上500公里、人类首颗量子通讯卫星“墨子号”，向位于新疆的两个地面站发射光子，全球首次实现千公里级基于纠缠的无中继量子密钥分发。这次试验的距离是此前类似试验距离的10倍，达到1120公里。外媒评论称，这次试验的成功，意味着中国在人类量子科技发展上取得里程碑式的突破。

量子通讯应用研究为何在近年来受到世界各国的高度重视？这源于一种有趣的物理现象。两个粒子不管相距多远，只要他们建立了相互纠缠的状态，这种状态就会始终保持下去。当对其中一个粒子进行测量造成扰动，另一个粒子的状态也会同步发生改变，这就使得远距离安全通讯成为可能。

当通讯的信息以量子纠缠状态发送出来以后，如有人试图破解或盗取信息内容，必然会扰动这一量子纠缠态， 瞬间会造成通讯的中断，信息归零。科学界认为，这种通讯技术在效率和安全性方面，要比目前的光纤通讯高出上亿倍！这样的技术一旦得以应用，我们国防通讯、商业通讯、民用通讯的安全性和便利性将实现数量级的飞跃！

那么，中国在这场通讯技术研发竞赛中处于什么位置？用美国加州量子技术公司总裁厄尔的话说，“北京远远领先于美国。”这句话并非空穴来风。中国科学家不但在全球首发了量子通讯卫星，还在天-地之间建立了量子通讯链路。

我们的相关研发已进入到量子通讯实际应用的验证阶段，毫不夸张地说，中国是绝对意义上的NO.1。

奇怪的是，我们国内有一部分人天天以学术打假的名义高喊抹黑潘建伟，认为量子通信是一场。但仔细一看就会发现，持这种观点的绝大多数人连薛定谔方程都不会写，甚至把量子力学的基本事实都予以否定。千方百计地想凭借抹黑潘建伟而上位，如此看来孰是孰非一眼便知。

其实早在2017年，潘建伟就被世界顶级期刊《Nature》评为年度科学人物，世界各国的量子通信团队都将潘建伟视为学科发展带头人。不知那些抹黑潘建伟的人 看到6月15日这一被国际同行高度认可的重大突破，还会说些什么？

我觉得是真的，我们应该相信潘建伟，他是一个很精通量子的人，不能因为这个项目很难就说是假的，要选择相信。

量子通信工程是国家品牌，很多测评专家的专业知识也在那里。量子通信的国际学术界也很权威，能被这么多人认可，说明量子通信真的很厉害。

墨子号推出已经快三年了。有哪些新发现？量子通信与大众有什么联系？是伪科学吗？10日，在中国人民政治协商会议第十三届全国委员会第二次会议举行的新闻发布会上，中国人民政治协商会议全国委员会委员、中国科学技术大学常务副校长、中国科学院院士潘建伟说了很多话。

墨子量子科学实验卫星发射以来有哪些新发现？潘建伟说，“墨子”作为科学实验卫星，主要有两个目的，一是实用。为了实现卫星与地球之间非常远距离的量子保密通信，它还有一个基本的科研目标，需要验证爱因斯坦严格意义上的“量子力学的非局域性”。

潘建伟透露，墨子推出后，性能指标远超预期，原本计划两年内完成的科学实验任务在两三个月内完成，所以性能上有充足的时间做一些改进，现在有很大的进步。同时，“墨子”将卫星与地面之间的密钥编码量增加了40倍，现在一秒钟可以传输约40万个密钥，可以满足一些保密通信的初步要求。

潘建伟说墨子也做了一个有趣的实验。因为目前量子力学和广义相对论结合的不太好，针对提出的测试协调模型。墨子做过实验，证明一些理论方案是不正确的，这是一个很大的进步。

潘建伟表示，希望量子通信能尽快投入实际使用，希望未来能研制出一颗中高轨道的卫星，使其24小时全天候工作，以弥补墨子只能在夜间工作的遗憾，保证密钥能在更长的时间内生成。

近年来，对量子通信的质疑从未中断过，甚至有人认为量子通信是“伪科学”。对此，潘建伟回应说，公众对量子通信技术有所怀疑，主要是因为量子力学与他们的生活经历有很大不同，即使受过高等教育的人也不一定对量子通信的先进理论有很好的理解。因此，公众会怀疑量子通信的科学性，担心这项技术不成熟。

潘建伟进一步解释说，创新通常经历从产生到广泛应用的三个阶段。在第一阶段，当公众接触到一个新的领域时，最初的反应通常是不可靠的。比如最早的相机，大家都觉得灵魂被吸进了相机，不敢用。所以有人认为早期的量子通信是伪科学。等它成熟了，他们觉得这项技术还没有被广泛应用，产生了怀疑。“现在，我们确实有许多创新成果走在了世界前列，我们应该有信心。”

但潘建伟也表示，目前量子通信正处于从第二阶段向第三阶段转化的过程中，需要大量的科普工作。“当量子通信被广泛使用时，每个人都没有什么异常的感觉，创新过程就完成了。”

至于量子通信的作用，潘建伟表示，信息安全对国家和个人都很重要，从银行账户的密码保护到不开车的远程控制都有。量子通信原则上可以提供一种无条件的、安全的通信手段，这将大大提高未来的信息安全水平。

潘建伟表示，中国目前在量子信息领域具有一定的国际竞争力，即使在某些方向上，仍处于国际领先地位，但也不能过于乐观，部分优势受到欧美发达国家的强烈冲击。与传统的国际科技强国相比，中国以往的科研组织模式主要是短期科研项目，在满足国家战略的迫切需要以及科技资源的整合和支持力度上仍然不足。与发展相比

潘建伟表示，他所从事的量子信息科学已经进入深化和快速发展的阶段，尤其需要跨学科交叉融合和攻关。他希望国家在这一领域部署重大科技项目，建设国家实验室。

去年，在全国政协双周咨询论坛上，潘建伟发表了“加强国家实验室建设，建设高水平创新团队”的演讲。考虑到欧盟、美国、英国等发达国家在量子信息科学技术领域的国家战略已经启动，国际竞争激烈，潘建伟建议中国尽快实质性启动相关领域的国家实验室和科技创新项目建设，同时， 依托相关领域最具优势的创新单位开展国家实验室建设和运行管理，具体负责相关重大科研任务的总体部署和实施。

中国科技大学7日宣布，中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发，标志着我国已构建出天地一体化广域量子通信网雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。

7日凌晨，中国科技大学教授潘建伟及其同事陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作，在国际学术期刊《自然》杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”的论文，证明了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。

据介绍，《自然》杂志审稿人评价称，这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络，是量子通信“巨大的工程性成就”。

2016年，中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”。2017年，我国建成世界首条量子保密通信干线“京沪干线”。中国科研团队在“京沪干线”与“墨子号”成功对接的基础上，构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发链路和两个卫星对地自由空间高速量子密钥分发链路的广域量子通信网络，实现了星地一体的大范围、多用户量子密钥分发。整个网络覆盖我国四省三市32个节点，包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”相连，总距离4600公里，目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。

1984年，IBM公司的研究人员Bennett和蒙特利尔大学的学者Brassard在印度召开的一个国际学术会议上提交了一篇论文《量子密码学:公钥分发和抛币》(Quantum cryptography:Public key distribution and coin tossing)。

他们提出了BB84协议。该协议把密码以密钥的形式分配给信息的收发双方，因此也称作“量子密钥分发”。

具体的原理如下：

因为光子有两个偏振方向，而且相互垂直。

所以，单光子源每次生成的单个光子，可以是这样：

我们可以简单选取“水平垂直”或“对角”的测量方式（我们称之为测量基），对单光子源产生的单光子进行测量。

当测量基和光子偏振方向一致，就可以得出结果（要么是1，要么是0）；

当测量基和光子偏振方向偏45°，就不能得出准确的结果。

光子就会变化，偏振方向改变45°，那么就是1或0的概率各50%。

原理就是这样。