量子通信是近幾年比較熱門的詞，全球首顆量子通訊科學實驗衛星墨子號，也于2016年8月16日升空，這篇文章就讓我們來了解一下量子通訊的基本原理。
傳統通信
從古至今，通信都是一項關于國家命運的大事，古時侯用飛鴿傳書，缺點在于通信不及時；近代用電報來傳輸信息，解決了傳輸速率問題，并且在安全性上又帶來新的考驗。
你用電報發送信息時，信息會被監聽者查獲，這時侯就須要對信息進行加密，例如我們要傳輸信息“”，就可以先和接收方約定加密方法：
密文：M；
明文：N；
加密方法：N=M*15-25；
發送方要傳遞密文M=，先經過加密得到明文N：
N=*15-25=；
接收方得到明文N后，按照反運算M=（N+25）/15，就可以解碼出密文M，只要監聽者不曉得加密方法，就難以得到密文。
實際的加密方法要復雜好多，尤其是在戰爭時期，信息的加密和破譯，成為特別重要的敵后戰場，從簡單的移位法、替代法，逐漸發展成為更中級的對稱算法和非對稱算法。
加密方式
在物理中，我們把兩個大的素數相加很容易，而且在不曉得其中一個因子的情況下，要分解一個大數相當難，于是我們就可以借助這些算法復雜程度的不對稱，來設計加密秘鑰和揭秘秘鑰。
假如加密秘鑰和揭秘秘鑰一樣，也稱對稱加密；倘若三者不一樣，其中加密秘鑰可以公開（私鑰），就叫做非對稱加密；現代網路中常用的RSA算法，就是一種非對稱加密算法，安全性依賴于大數分解難度。
這樣的加密方法，理論上可以達到很高的安全性，但并非不可破解，安全性方面的缺點如下：
缺點一：信息發送方首次把揭秘秘鑰送到接收方時，監聽者有可能在雙方不察覺的情況下，盜取雙方的揭秘秘鑰，也就是秘鑰分發不安全，解決辦法通常是使用數字簽名；
缺點二：無法做到一文一密，一旦揭秘秘鑰被破解，這么所有信息都將竊取，目前的解決辦法，就是不斷降低大數數位，來降低暴力破解的難度；
隨著量子計算機的發展，人們發覺量子計算機的并行估算能力，可以輕易擊潰傳統加密方法；例如傳統計算機要分解一個512位的大數須要上萬年，并且一個2000量子比特的量子計算機只要幾秒鐘。
量子通訊
假如使用量子通訊，就可以徹底解決秘鑰分發和一文一密的問題，但是量子熱學的基本原理，可以保證量子通訊的絕對安全。
在了解量子通訊之前，我們先來了解量子糾纏現象，量子熱學正統展現強調，處于糾纏態的粒子，無論相距多遠，都保持著某種聯系，直至我們觀察其中一個粒午時，兩個粒子會隨機坍縮成單一態。
這點早已被諸多實驗所否認，例如貝爾實驗、延遲選擇實驗等等，之后我們就可以按照這一原理，設計出一套完美無缺的通信方法。
BB84合同
1984年，兩位科學家和，聯合提出了世界上第一個量子秘鑰分發合同——BB84合同，隨后拉開了量子加密實用化的進程。
精典比特使用光子的有無來表示信息，例如有光子表示“1”，沒有光子表示“0”；在量子比特中，我們可以使用光子的偏振光方向來表示信息；BB84合同設計兩套編碼，共四種狀態，如右圖：
信息接收方有兩種檢測基（偏振光片），假如用偏振光片1檢測編碼1，光子的偏振光方向不會發生改變，同樣我們用偏振光片2檢測編碼2時，光子的偏振光方向也不會改變。
假如我們選錯了檢測基，例如用偏振光片1檢測編碼2，或則用偏振光片2檢測編碼1時，這么依照量子熱學原理：偏振光片和光子偏振光方向呈45°角時，穿過偏振光片的光子將隨機變為另外一套編碼的偏振光方向，各有50%的機率為“0”或者“1”。
例如發送方給接收方一組糾纏光子，之后接收方隨機選擇一組偏振光片，對每位光子進行檢測；按照量子糾纏原理，發送方和接收方的糾纏光子，在檢測的剎那間，隨機塌縮成單一態。
這都會出現兩種情況：
（1）對于每一個糾纏光子，假如接收方選定了正確的偏振光片，這么雙方得到的光子偏振光方向是一樣的；
（2）假如接收方選定了錯誤的偏振光片，這么接收方的光子偏振光方向都會發生變化，并隨機變為“1”或者“0”；
這時侯雙方就要溝通了，接收方借助傳統信道告訴發射方，他對每位光子使用了何種類型的偏振光片來觀察，這個信息不怕被監聽者曉得，可以完全公開。
因為發射方曉得每對糾纏光子的正確偏振光方向，所以發射方也就曉得接收方的什么偏振光片方向是正確的，以及什么光子發生了隨機變化，之后借助傳統信道告訴接收方什么偏振光片是錯誤的須要剔除，最后只留下正確的光子。
留出來的光子，就可以作為量子通訊的秘鑰，這就是BB84合同中秘鑰分發的過程；假如監聽者想要進行監聽，就須要同時曉得傳統公開信道的所有信息，以及量子信道信息。
后者是可以完全公開的，并且量子信道的信息，是通過量子糾纏傳送的隨機信息，第二者未能獲取量子傳輸技術，甚至第二者連監聽的渠道都沒有，由于量子糾纏是超距行為，不須要實體的傳輸通道。
第二者還有一個監聽辦法，就是在發射方給接收方發送糾纏光午時，監聽者可以在中途截取糾纏光子，并且監聽者也不曉得偏振光片的正確方向，于是他對糾纏光子的檢測，必將導致糾纏光子的波包塌縮，進而造成發射方和接收方的誤分辨率異常。
可以估算出，每位光子的正常誤分辨率為25%（50%選錯檢測基*50%“0”和“1”隨機塌縮），一旦糾纏光子在中途被第二者監聽，接收方的誤分辨率都會達到50%，最終造成接收方的信息未能正確解碼。
也就是說，監聽者每泄露一個量子比特信息，被發覺的機率就是25%；泄露50個時，被發覺的機率高達1-（1-25%）^50=99.97%，在實際當中量子傳輸技術，信息的傳遞都是每秒幾億以上的量子比特。
所以量子秘鑰分發只要被監聽，就肯定會被發覺，之后雙方扔掉被監聽的信息，重新構建量子通訊信道，直至不被監聽為止。
在傳統通信當中，監聽者可以截取精典信息后，再給接收方發送信息，讓接收方誤以為信息是從發送方來的，因而達到秘密監聽的療效；并且這一方式在量子通訊中失效了，由于“量子不可克隆原理”的存在，促使監聽者難以在不影響原光子的情況下，去克隆發射方發出的糾纏光子，這是數學定理不容許的。
于是，量子通訊中的秘鑰分發，可以達到絕對的安全，在2001年，理想的BB84合同被證明無條件安全，但是量子通訊可以做到一文一密，也就是說我們要傳輸的信息，就起碼須要使用的量子秘鑰。
從原理可以看出，BB84合同本質上解決的是秘鑰分發問題，并非借助量子糾纏傳遞有效信息；量子通訊借助量子秘鑰去加密信息，信息經過傳統信道分發給對方，對方再通過量子秘鑰解開加密信息。
整個過程中，有效信息的傳遞依賴于量子信道和傳統信道，量子秘鑰的傳遞速率可以看成量子糾纏速率，也就是超光速的（量子糾纏的瞬時性），然而量子秘鑰是隨機的，不包含任何有效信息。
只有全部領到了傳統信道信息和量子信道信息，能夠解碼雙方要傳遞的信息，所以有效信息的傳遞速率取決于傳統信道，整個過程并沒有遵守相對論的光速不變原理。
對于BB84合同，理想情況是不可破譯的，但實際當中很難達到理想情況；諸如量子通訊要求發射方是單光子源，接收方也是單光子偵測器，糾纏光子的傳送通道還不能受干擾。
在目前技術下，還遠遠達不到理想條件，只能采取一些謙讓舉措，例如用弱相干光取代單光子源，使用大量糾錯碼或則只在夜晚實驗來增強抗干擾能力等等，這就有可能帶來新的漏洞，弄成貓捉老鼠的游戲。
BB84合同只是量子通訊中的一種合同形式，要實現上去十分困難，而且通過BB84合同，我們可以看見量子通訊的潛力是十分大的；如今“貓”還沒長大而已，等哪天“貓”長大了，老鼠自然就不存在了！
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