发展量子通信为何要上天？

“夫事以密成，语以泄败。”从古时候贤君名臣的权争往事，到近现代大国之间的纵横捭阖，在信息传递过程中，泄密一直是人们广泛关注的一个问题。

　　如果一种通信方式能够实现快速、稳定、无损耗，那么庞培不会败走法萨卢斯，马谡也不会失街亭，历史上无数由信息传递失误导致的事件都将得以避免。

　　古人不幸今人幸。可能成功解决问题的手段，既非鸿雁传书，也非鱼传尺素，而是一个看似神秘的概念——量子通信。

　　6月25日至27日，世界互联网大会数字文明尼山对话在山东举办。成果展上，于2022年发射升空的“济南一号”量子微纳卫星吸引了众多目光。随着量子通信在应用领域越走越远，我们不禁开始构想：量子通信将带领人类走向怎样的未来？量子卫星在其中扮演着怎样的角色？

　　量子通信窃听难

　　作为量子通信的基础概念之一，量子在近年来的各种科幻作品中出镜率很高，但想要精确地定义它并不容易。

　　中国科学院量子信息与量子科技创新研究院教授级高级工程师廖胜凯介绍，量子是现代物理的重要概念，即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，最小单位被称为量子。

　　“量子的概念由德国物理学家普朗克提出，最早被用于解释黑体辐射这种能量现象。”廖胜凯表示，“后续的实验表明，诸如角动量、电荷、能量等其他的物理量也具有不连续变化的量子化现象，超出牛顿经典力学理论框架的量子力学也就随之产生。”

　　廖胜凯介绍，相比于牛顿经典力学，量子力学具有如下特征：不确定性、测量坍缩性和不可克隆性。这三大特征也成了量子通信能够实现的理论基础。

　　量子通信的研究内容之一就是量子密钥分发。“基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性，其破译的困难程度只取决于计算力的强大与否。随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。”廖胜凯说，“而与经典通信不同，量子密钥分发的安全性基于物理学基本原理，与计算复杂度无关。通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的原理上无条件安全的通信方式。”

　　量子通信的另一重要内容是量子隐形传态。量子隐形传态利用量子纠缠，可以将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送粒子本身。量子隐形传态是构建分布式量子信息处理网络和量子计算机的基本要素。

　　采用卫星传信息

　　“工欲善其事，必先利其器。”无线电通信等传统通信方式要求基站等有关设备的支持。量子通信作为一种先进的通信手段，自然也离不开诸多先进的设备。既然量子通信通常采用单光子作为信息传递的物理载体，人们不禁想到，直接连接一条光纤是否足以满足远距离量子通信的需要呢？

　　答案显然是否定的。损耗问题成了光纤法不可行的症结所在。“量子具有不可克隆原理，因此单光子量子信息不能像经典通信那样被放大。一旦传输距离较远，损耗问题就会变得极其严重。”廖胜凯指出，“根据数据测算，通过1200公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能传输一个比特的密钥，这显然是完全不现实的。”

　　1200公里的光纤或许尚可制造，但每秒百亿发射率的单光子源以及完美的探测器都不是目前技术等现实条件所能企及的，更何况人们也不可能等待数百万年来传输信息。科学家们被迫寻找其他解决问题的方向。