量子通信靠什么传输

量子通信的传输并非依赖单一媒介，而是构建于量子物理原理之上。其核心在于利用光子的量子态作为信息载体，通过光纤或自由空间等物理通道进行传输。量子密钥分发（量子密钥分发）等典型应用，其安全性根植于量子力学的基本特性，如量子不可克隆定理和测量坍缩原理，确保了信息传输的绝对安全。

       在信息时代，安全通信的需求日益迫切。当我们探讨一种被誉为“绝对安全”的通信方式时，量子通信便以其神秘而坚实的物理基础走入大众视野。许多人会好奇，这种听起来高深莫测的技术，究竟依靠什么来传递信息？是像传统无线电波一样穿越空气，还是如同光纤网络般依赖玻璃丝？事实上，量子通信的传输奥秘，远不止于选择一种物理介质那么简单。它的核心在于“传输什么”以及“如何保障传输过程”，这背后是一整套深刻的量子力学原理在支撑。

       量子信息的基本载体：光子

       量子通信传输的并非我们日常理解的“0”和“1”电子比特流，而是量子比特。量子比特需要一种物理系统来承载，而光子，即光的量子，是目前最成熟、最常用的选择。光子具有易于产生、操控和探测的特性，并且其量子态（如偏振态、相位）可以在长距离传输中相对稳定地保持。因此，当前绝大多数实用的量子通信系统，无论是通过光纤还是大气，其传输的实质都是携带了量子信息的光子。

       两大物理传输通道：光纤与自由空间

       确定了光子作为载体后，就需要为它铺设“道路”。目前主要的物理传输通道有两种。第一种是光纤信道。这类似于我们现有的互联网光纤，但要求更为苛刻。光子在其中传输时会面临损耗、色散和背景噪声等问题，这限制了单光子信号的传输距离。中国科学家团队在此领域取得突破性进展，例如利用“可信中继”技术，成功构建了连接北京与上海、总长超过2000公里的京沪干线，这是目前世界上最长的光纤量子保密通信网络之一。

       第二种是自由空间信道，即让光子在大气层或真空中传播。大气层对特定波长的光子（如近红外波段）吸收和散射较小，适合于构建地面站之间的链路。更令人瞩目的是卫星平台与地面之间的自由空间量子通信。2016年，中国发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，它通过激光与地面站建立光链路，成功实现了跨越上千公里的星地量子密钥分发和量子纠缠分发，验证了构建全球化量子通信网络的可行性。

       安全传输的基石：量子密钥分发

       量子通信最广为人知的应用是量子密钥分发。它传输的不是直接的秘密信息，而是用于加密和解密信息的“密钥”。这个过程完美诠释了量子通信“靠什么”实现安全。发送方（通常称为“爱丽丝”）将随机制备的处于不同量子态的光子发送给接收方（“鲍勃”）。根据量子力学原理，任何对光子量子态的窃听测量行为，都会不可避免地扰动该状态，从而被通信双方通过后续的比对发现。因此，量子密钥分发的安全性不依赖于攻击者的计算能力，而是基于物理定律，这是其被称为“无条件安全”或“原理上安全”的根本原因。

       核心原理一：量子不可克隆定理

       这是保障量子密钥分发安全性的第一道铁律。该定理指出，一个未知的量子态不可能被完全精确地复制。在通信中，这意味着窃听者（“伊芙”）无法像在经典通信中那样，截获信号、完美复制一份后再转发出去而不留痕迹。她任何试图复制量子密钥载体的行为都会引入错误，从而暴露其存在。这一定理是量子力学线性特性的直接结果，由沃特斯和祖瑞克在1982年明确提出，已成为量子信息科学的基石。

       核心原理二：量子测量坍缩原理

       这是第二道安全屏障。在量子世界，测量行为本身会改变被测量系统的状态。具体到量子通信，光子可能处于多种偏振态的叠加状态。只有当接收方用与之匹配的测量基进行测量时，才能得到确定的结果；如果测量基不匹配，光子的量子态会随机“坍缩”到某一个本征态，且原始状态被破坏。窃听者由于不知道发送方使用的随机制备基，她的测量有一半概率会选错基，从而随机改变光子的状态，在通信双方的校验数据中产生高达25%的误码率，远高于信道本身噪声，从而极易被检测。

       协议与实现：从理论到实践

       有了原理，还需要具体的协议来实现。最著名的是本内特和布拉萨德在1984年提出的“BB84协议”。该协议利用光子四个不同的偏振态来编码信息。发送方随机选择两组正交基中的一种来制备光子，接收方也随机选择一种基来测量。事后，双方通过公开信道（可以是普通电话或互联网）告知所使用的基序列，但不说具体的状态。只保留那些双方使用相同基的比特，它们就构成了最初的原始密钥。经过误码校验、隐私放大等后续步骤，最终生成绝对安全的密钥。

       单光子源与弱相干光源

       理想情况下，量子密钥分发需要完美的单光子源，即每次只发射一个光子。然而，制备理想的单光子源在技术上极具挑战。目前实际系统中广泛使用的是经过极大衰减的激光脉冲，即弱相干光源。它近似单光子源，但存在一定的多光子脉冲概率，这会引入安全隐患，如“光子数分离攻击”。为了应对此问题，科学家们开发了“诱骗态”等方法，有效提升了实用系统的安全性，这也是中国科研团队在量子通信实用化方面的重要贡献之一。

       探测技术：捕捉微弱的量子信号

       传输过来的信号极其微弱，往往处于单光子水平，因此需要超高灵敏度的探测器。这类探测器通常工作在超低温环境下，以降低暗计数（无信号时的误触发）。例如，超导纳米线单光子探测器具有极高的探测效率和极低的暗计数率，是当前长距离、高速率量子通信系统的关键部件。探测技术的进步直接决定了量子通信的传输距离和密钥生成速率。

       克服损耗：量子中继与纠缠交换

       无论是光纤还是自由空间，光子传输的损耗都随距离指数增长，这严重制约了通信距离。为了构建广域量子网络，必须发展量子中继技术。量子中继的核心思想不是像经典中继器那样放大信号（量子态不可放大），而是利用量子纠缠和纠缠交换技术。通过将长距离链路分割为多个短距离段，在每两个相邻节点间建立纠缠对，然后通过操作将这些纠缠对连接起来，最终在遥远的两个终端节点间建立纠缠。这个过程可以克服信道损耗，是实现洲际量子通信的必由之路。

       另一种传输形态：量子隐形传态

       量子通信中还有一个更为神奇的概念——量子隐形传态。它传输的不是粒子本身，而是粒子的未知量子态。这个过程需要借助一对预先分发给发送方和接收方的纠缠粒子对，以及一段经典通信信道。发送方对自己手中的纠缠粒子和待传输态粒子进行一种联合测量，并将测量结果通过经典信道告诉接收方。接收方根据这个结果对自己手中的纠缠粒子进行相应的操作，即可使其状态变为待传输的量子态。这实现了量子信息的“瞬间移动”，是未来量子互联网中连接量子计算节点的重要方式。

       卫星平台的独特优势

       为什么需要卫星？因为大气层在垂直方向上的有效厚度仅为约10公里，而地面光纤的损耗累积要严重得多。在卫星与地面之间，光子绝大部分路程是在近乎真空的环境中传播，损耗极小。“墨子号”卫星的成功实验表明，星地链路的损耗甚至可以低于地面光纤。这为构建覆盖全球的量子通信网络提供了一条极具潜力的技术路径。

       与经典通信的融合共生

       必须澄清一个常见误解：量子通信并非要完全取代现有的经典通信网络。它的角色更多是作为现有网络的安全增强层，特别是用于分发密钥。最终的密文传输，仍然可以通过高速的经典光纤网络进行。两者是互补与共生的关系。未来的量子保密通信网络，将是量子信道与经典信道深度融合的智能化网络。

       标准化与产业化进程

       技术的成熟离不开标准。国际电信联盟电信标准化部门、国际标准化组织等机构正在积极推动量子密钥分发等技术的标准化工作，涉及安全性证明、协议实现、设备技术要求等多个方面。中国在相关领域也发挥着引领作用。产业化方面，国内外已有多家公司推出商用量子密钥分发设备，应用于金融、政务、电力等对安全要求极高的领域。

       面临的挑战与未来展望

       尽管前景广阔，量子通信的全面实用化仍面临挑战。包括如何进一步提升密钥生成速率、降低设备成本、实现大规模网络组网和高效运维管理，以及应对潜在的新型攻击（如针对实际系统器件缺陷的边信道攻击）。展望未来，随着量子中继、量子存储器、高性能单光子源等关键技术的突破，一个天地一体化的量子通信网络有望从蓝图变为现实，为人类社会的信息安全提供基于物理法则的终极保障。

       

       综上所述，量子通信的传输，表面上依靠的是光纤或自由空间中的光子，但其灵魂和不可复制的安全性，则深深植根于量子不可克隆定理和测量坍缩等基本物理原理之中。它是一场从物理层面对信息安全的彻底革新。从实验室的理论协议，到贯穿中国的光纤干线，再到连接星地的“墨子号”卫星，人类正在一步步将深邃的量子理论转化为守护数字世界的坚实盾牌。理解它“靠什么传输”，不仅是理解一项技术，更是窥见我们如何利用自然最根本的法则，来构筑未来信息社会的信任基石。