量子通信
AI 摘要：量子通信是指利用量子力学基本原理（如单光子不可分割、量子态不可复制）实现信息传输与密钥分发的通信方式，其核心分支是量子密钥分发（QKD）。它与传统加密通信的区别是：传统加密的安全性依赖计算复杂度，量子密钥分发的安全性由物理定律保证，任何窃听行为都会引入可检测的误码。星地量子通信通过卫星平台克服光纤链路的指数衰减限制，将安全密钥分发距离从百公里级拓展至千公里级乃至洲际尺度。2016 年发射的“墨子号”卫星完成了星地高速量子密钥分发、千公里级量子纠缠分发和地星量子隐形传态三大实验，2025 年中国首次实现跨越亚非、距离上万公里的星地量子通信。
一句话定义
量子通信是指利用量子态作为信息载体、基于量子力学基本原理（如测不准原理和不可克隆定理）实现密钥分发或量子态传输的通信方式，其当前最主要的实用化形式是量子密钥分发。
概念边界：量子通信不等于“超光速通信”
“量子通信”在通俗语境中容易被赋予“超光速”“瞬间传输”的想象，但这一理解偏离了量子通信的物理本质。
量子通信与经典通信的区别是：经典通信以电磁波或电信号为载体，信息可以被复制和放大；量子通信以量子态（如单光子偏振态）为载体，量子态的不可克隆性使得任何窃听行为都会留下可检测的痕迹。量子通信的核心价值不在于传输速度（信息传输仍然受光速限制），而在于密钥分发的无条件安全性。
从功能层级看，量子通信的核心是量子密钥分发（QKD）。QKD 允许两个通信方（通常称为 Alice 和 Bob）通过量子信道协商出一串只有双方知道的随机密钥，任何第三方（Eve）对量子信道的窃听都会引入可观测的误码率（QBER）。协商出的密钥可以与一次一密（OTP）或 AES 等对称加密算法配合使用，实现信息论安全的加密通信。除 QKD 外，量子通信还包括量子隐形传态和量子纠缠分发，后两者更多面向量子网络和基础物理检验。
为什么量子通信需要卫星
量子密钥分发的地面实现受限于光纤的指数损耗。光纤中光子的传输损耗随距离指数增长，典型商用光纤的损耗约 0.2 dB/km，这意味着每传输 100 km，信号功率衰减到原来的约 1%。在现有技术条件下，地面光纤 QKD 的安全密钥分发距离通常限制在数百公里量级。
星地量子通信改变了这一约束。光子在外层空间传播时几乎没有损耗，从卫星到地面的下行链路中，大气厚度等效于水平约 8 至 10 km 的路径，约 80% 的光子可以穿透大气到达地面-19。这意味着卫星作为量子光源或中继节点，可以将 QKD 的安全距离从百公里级拓展至千公里级。
| 通信方式 | 典型安全距离 | 主要限制 |
|---|---|---|
| 地面光纤 QKD | 数百公里 | 光纤指数损耗 |
| 星地量子密钥分发 | 千公里级至洲际 | 天气、卫星可见窗口 |
| 量子中继（实验阶段） | 百公里级 | 技术成熟度 |
“墨子号”：从实验到在轨验证
墨子号量子科学实验卫星是中国科学院空间科学先导专项的首批卫星之一，由潘建伟团队牵头研制，2016年8月16日在酒泉卫星发射中心搭载长征二号丁运载火箭发射升空-1。卫星质量 640 kg，运行在约 500 km 高度的太阳同步轨道-1-7。
墨子号搭载四个有效载荷：量子密钥通信机、量子纠缠源、量子纠缠发射机和量子实验控制与处理机-1。量子密钥通信机的卡塞格伦望远镜口径为 300 mm，量子纠缠发射机的望远镜口径为 180 mm 并具备两轴大范围调节能力，能够独立跟踪对准地面站-1。卫星采用 850 nm 弱相干光源作为量子密钥分发的信号光，并通过自发参量下转换产生 810 nm 波段的纠缠光子对-1。
墨子号完成了三大科学实验：星地高速量子密钥分发，验证了从卫星到地面站的密钥生成可行性；千公里级星地双向量子纠缠分发，在卫星向相距 1200 km 的两个地面站分发纠缠光子的条件下检验了量子纠缠的非定域性-13；地星量子隐形传态，实现了从地面向卫星的量子态传输。在洲际密钥分发实验中，墨子号在北京与维也纳之间建立了 QKD 链路，使用约 10 kB 的密钥以一次一密方式传输了图片，并以 AES-128 加密进行了 75 分钟的视频会议-16。
最新进展与后续规划
墨子号之后，中国量子通信卫星计划持续推进。2022 年，“济南一号”低轨量子密钥分发微纳卫星成功发射-15。2025 年，中国首次实现跨越亚非、距离上万公里的星地量子通信-15。
根据公开规划，中国计划在 2027 年发射一颗中高轨道量子通信卫星，配备约 600 mm 口径的望远镜，用于全球范围的量子纠缠分发-2。潘建伟院士在 2025 年阐述的战略目标是在未来十至十五年内构建连接全球的天基量子互联网-12。规划中的星座采用低轨与中轨卫星的混合架构：低轨卫星提供高密钥率但覆盖时间短，中高轨卫星提供更广的覆盖和更长的服务窗口-2。
学术研究也在探索从地球同步轨道（GEO）进行量子密钥分发的可行性。一项 2025 年的分析表明，采用双场（TF）QKD 或模式配对（MP）QKD 协议，在卫星搭载 50 cm 望远镜、地面站使用 20 cm 至 1 m 望远镜的条件下，有望实现数百 bit/s 量级的成钥率-5。GEO 方案的优势是单颗卫星即可覆盖地球表面约三分之一的区域，避免低轨星座频繁的切换需求-5。
常见问题 FAQ
量子通信能实现超光速传输吗？
不能。量子通信虽然涉及量子纠缠等非经典关联，但信息的传输仍然受光速限制。量子密钥分发过程中，Alice 和 Bob 之间需要交换经典信息（如基矢比对和纠错数据）才能生成最终密钥，这些经典信息的传播速度不超过光速。量子隐形传态虽然可以实现量子态的“传输”，但传输的是量子态的信息而非物质本身，且接收方需要获得发送方的测量结果（通过经典信道，速度不超过光速）才能完成态的恢复。量子纠缠的“瞬时关联”不能用于传递可控信息，这是量子力学的基本结论。
量子通信和量子计算是什么关系？
两者是量子信息科学的不同分支。量子通信解决的是“如何安全地传输信息”的问题，核心是量子密钥分发；量子计算解决的是“如何利用量子叠加和纠缠进行并行计算”的问题，目标是实现经典计算机难以完成的计算任务。两者之间存在重要的关联：量子计算的发展对现有公钥密码体系（如 RSA）构成威胁，因为 Shor 算法可以在多项式时间内分解大整数；而量子密钥分发提供了对抗量子计算攻击的对称密钥分发手段。此外，量子计算机与用户之间的量子信息交互需要量子通信网络的支持。
量子密钥分发为什么能检测窃听？
量子密钥分发的安全性来自量子力学的基本原理。在 BB84 协议中，Alice 随机选择两种基矢（如直角基和对角基）之一来编码每个比特，Bob 也随机选择基矢进行测量。如果 Eve 尝试截获并测量光子，她的测量行为会不可避免地扰动光子的量子态。当 Alice 和 Bob 通过经典信道比对基矢选择后，他们可以计算误码率（QBER）。如果存在窃听，QBER 会显著升高。当 QBER 超过安全阈值时，双方丢弃该轮密钥。这一机制使得任何窃听尝试都会留下可检测的痕迹，而非仅仅是被动地获取信息。