量子通信是什么意思？它的概念有哪些？

通信" target="_blank">量子通信是利用量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式，基于量子力學(xué)中的不確定性、測(cè)量坍縮和不可克隆三大原理提供了無(wú)法被竊聽(tīng)和計(jì)算破解的絕對(duì)安全性保證，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種。 [1] 量子隱形傳態(tài)基于量子糾纏對(duì)分發(fā)與貝爾態(tài)聯(lián)合測(cè)量，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的信息傳輸，其中量子態(tài)信息的測(cè)量和確定仍需要現(xiàn)有通信技術(shù)的輔助。量子隱形傳態(tài)中的糾纏對(duì)制備、分發(fā)和測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)有待突破，處于理論研究和實(shí)驗(yàn)探索階段，距離實(shí)用化尚有較大差距。 [1] 量子密鑰分發(fā)，也稱量子密碼，借助量子疊加態(tài)的傳輸測(cè)量實(shí)現(xiàn)通信雙方安全的量子密鑰共享，再通過(guò)一次一密的對(duì)稱加密體制，即通信雙方均使用與明文等長(zhǎng)的密碼進(jìn)行逐比特加解密操作，實(shí)現(xiàn)無(wú)條件絕對(duì)安全的保密通信。 [1] 以量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子保密通信成為未來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)信息安全的一種非常有潛力的技術(shù)手段，是量子通信領(lǐng)域理論和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。 [1] 2022年4月13日?qǐng)?bào)道，中國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)100公里的量子直接通信 [16] 。

量子通信是一種基于量子力學(xué)原理的通信方式，能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)安全的信息傳輸和加密，是未來(lái)信息安全領(lǐng)域的重要研究方向之一。本文將從量子通信的基本原理、技術(shù)路線和應(yīng)用前景等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、量子通信的基本原理

量子通信的基本原理是利用量子力學(xué)中的量子態(tài)糾纏和不確定性原理，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和加密。

1.量子態(tài)糾纏

量子態(tài)糾纏是量子通信的重要基礎(chǔ)。糾纏是指兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間的關(guān)系，在某些情況下，它們的狀態(tài)之間是密切相關(guān)的，無(wú)論它們之間有多遠(yuǎn)的距離。這種關(guān)系是量子力學(xué)中的一種非經(jīng)典特性，與經(jīng)典物理學(xué)中的相關(guān)性不同。例如，當(dāng)兩個(gè)粒子處于糾纏態(tài)時(shí)，如果對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，它的狀態(tài)會(huì)瞬間反映在另一個(gè)粒子上，不論它們之間有多遠(yuǎn)的距離。這種“瞬時(shí)相互作用”是量子力學(xué)中的非經(jīng)典現(xiàn)象，也是量子通信中實(shí)現(xiàn)加密的關(guān)鍵。

2.不確定性原理

不確定性原理是量子通信中的另一個(gè)基本原理。根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理，任何測(cè)量都會(huì)對(duì)量子系統(tǒng)的狀態(tài)造成擾動(dòng)，測(cè)量的精度和干擾程度是存在著一定的限制。這就意味著，如果有人試圖竊取傳輸?shù)男畔ⅲ麄儽仨氝M(jìn)行一定程度的干擾，這樣就會(huì)破壞量子系統(tǒng)的狀態(tài)，使其無(wú)法重現(xiàn)原始信息。這就是量子通信中的“量子保密”。

二、量子通信的技術(shù)路線

量子通信是一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，需要結(jié)合物理學(xué)、數(shù)學(xué)、信息學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，目前主要有兩種途徑：量子密鑰分發(fā)和量子電報(bào)機(jī)。

1.量子密鑰分發(fā)

量子密鑰分發(fā)是一種通過(guò)量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)加密通信的方法。在量子密鑰分發(fā)中，發(fā)送方利用量子糾纏的特性，向接收方發(fā)送一串隨機(jī)的單光子，接收方通過(guò)測(cè)量這些光子的狀態(tài)，可以得到一串隨機(jī)數(shù)，這就是密鑰。由于量子糾纏的特性，任何試圖竊取信息的第三方都會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)的崩潰，因此這個(gè)過(guò)程是絕對(duì)安全的。接收方利用這個(gè)密鑰進(jìn)行加密和解密，從而實(shí)現(xiàn)保密通信。目前，量子密鑰分發(fā)已經(jīng)被商業(yè)化并在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了作用，例如金融、政府和軍事領(lǐng)域。

2.量子電報(bào)機(jī)

量子電報(bào)機(jī)是一種類似于傳統(tǒng)電報(bào)機(jī)的通信方法。在量子電報(bào)機(jī)中，發(fā)送方利用量子態(tài)的不確定性原理，向接收方發(fā)送一串隨機(jī)的量子態(tài)(例如一個(gè)單光子或者一個(gè)糾纏態(tài))，接收方通過(guò)測(cè)量這些量子態(tài)的狀態(tài)，可以得到一串隨機(jī)數(shù)或者原始信息。由于量子態(tài)的不確定性，任何試圖竊取信息的第三方都會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)的崩潰，因此這個(gè)過(guò)程也是絕對(duì)安全的。

三、量子通信的應(yīng)用前景

量子通信具有絕對(duì)安全的特點(diǎn)，可以在保護(hù)個(gè)人隱私、保護(hù)國(guó)家機(jī)密等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。以下是一些量子通信的應(yīng)用場(chǎng)景：

1.金融交易

在金融交易中，保密性和安全性非常重要。量子通信可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的交易和信息傳輸，從而保護(hù)客戶的隱私和交易的安全性。

2.政府和軍事通信

政府和軍事通信中涉及到的機(jī)密信息非常重要，傳統(tǒng)的加密方法容易被攻擊和破解。量子通信可以提供更加安全的通信方法，保護(hù)國(guó)家機(jī)密和保障國(guó)家安全。

3.互聯(lián)網(wǎng)安全

在互聯(lián)網(wǎng)安全領(lǐng)域，隱私保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)安全是非常重要的問(wèn)題。量子通信可以提供更加安全的通信方法，從而保護(hù)用戶的隱私和互聯(lián)網(wǎng)安全。

4.醫(yī)療保健

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，隱私保護(hù)和保密性也非常重要。量子通信可以實(shí)現(xiàn)更加安全的患者數(shù)據(jù)和醫(yī)療信息的傳輸和存儲(chǔ)，從而保護(hù)患者的隱私和醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性。

總之，量子通信是未來(lái)信息安全領(lǐng)域的重要研究方向之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管目前還存在技術(shù)上的限制，但隨著量子計(jì)算機(jī)和量子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，量子通信將會(huì)成為未來(lái)信息傳輸和保密的重

答：量子通信是量子信息學(xué)的一個(gè)重要分支。量子通信是利用量子比特作為信息載體來(lái)進(jìn)行信息交互的通信技術(shù)，可在確保信息安全等方面突破經(jīng)典信息技術(shù)的極限。這里的量子比特指的是物質(zhì)的量子狀態(tài)，比如：電子的自旋，單光子的相位、偏振、強(qiáng)度等維度上的疊加態(tài)，或者多光子的量子糾纏態(tài)等。

量子通信的研究?jī)?nèi)容主要分為三個(gè)方面。理論研究方面主要是量子信息理論中涉及到量子信道理論和量子編碼理論的兩部分內(nèi)容。量子信道理論主要研究?jī)?nèi)容包括：各種有量子噪聲以及有損失的量子信道的信道容量以及其信道容量的各種特性。量子編碼理論則主要是研究能夠容忍信道損失和噪聲的量子糾錯(cuò)編碼以及編解碼的實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)用研究主要包括兩類，一類是在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面的問(wèn)題，比如通過(guò)量子隱形傳態(tài)、量子糾纏分發(fā)開(kāi)展量子非定域性檢驗(yàn)的研究，廣義相對(duì)論和量子理論結(jié)合的研究等。另一類是應(yīng)用相關(guān)的研究，比如通過(guò)量子密鑰分發(fā)、量子認(rèn)證、量子數(shù)字簽名等提升傳統(tǒng)密碼通信技術(shù)的安全性;通過(guò)量子指紋傳輸、基于網(wǎng)絡(luò)多方糾纏分發(fā)等提升特定問(wèn)題的通信效率;通過(guò)廣域的量子糾纏分發(fā)提高探測(cè)精度等。工程技術(shù)的研究?jī)?nèi)容是如何操控量子態(tài)，實(shí)現(xiàn)量子信息的調(diào)制、存儲(chǔ)、探測(cè)。

量子通信有兩種最典型的應(yīng)用，分別是量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。量子密鑰分發(fā)(QKD)是指利用量子態(tài)來(lái)加載信息，通過(guò)一定的協(xié)議產(chǎn)生密鑰。量子力學(xué)基本原理保證了密鑰的不可竊聽(tīng)，從而實(shí)現(xiàn)原理上無(wú)條件安全的量子保密通信。量子隱形傳態(tài)是指利用量子糾纏來(lái)直接傳輸微觀粒子的量子狀態(tài)(即量子信息)，而不用傳輸這個(gè)微觀粒子本身。量子隱形傳態(tài)可以連接量子信息處理單元來(lái)構(gòu)建量子信息處理網(wǎng)絡(luò)(例如分布式量子計(jì)算、分布式量子傳感)，同時(shí)也是量子中繼的重要環(huán)節(jié)，而量子中繼是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)的重要途徑，因此國(guó)際學(xué)術(shù)界將量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)統(tǒng)稱為量子通信。量子密鑰分發(fā)是最先走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化的量子信息技術(shù)。此外，量子通信技術(shù)研究中發(fā)展出來(lái)的很多技術(shù)，比如高精度單光子探測(cè)器、遠(yuǎn)距離單光子、多光子干涉技術(shù)等也會(huì)應(yīng)用到量子計(jì)算和量子精密測(cè)量領(lǐng)域。