量子通信在中國發展得紅彤彤火火，非常有一位叫潘建偉的科學家，率領其團隊取得了一個又一個突破，走在了世界的前列。有人歡呼，也有人反對和冷嘲熱諷。
這些反對的人主要是說，量子通信就是胡扯，是玩概念，根本不可能實現。其中懷疑最大的就是單光子發射和接收量子通訊技術，覺得光子是世界上最小的東西，究竟多小至今無人曉得，人類如何可能就能抓住一個光子發射出去呢？
但事實是，量子通信還真的就是借助一個個單光子傳輸，這樣才才能獲得難以破解的保密性。但這個單光子并非個別人憑生活常識想像的那樣，像捉豆子那樣一個個捉到，再把它通過某種彈弓類裝置發射出去。
量子通信的三大核心技術為：單光子源技術、量子編碼和傳輸技術、光子測量技術。這其中最重要的就是“捉住”單光子，并把它傳輸出去。這是怎樣實現的呢？我們來分享一下。
先談談哪些是光子
光子是光量子的簡稱，是傳遞電磁互相作用的媒介子，是一種基本粒子，具有規范玻骰子性質。光量子的概念是愛因斯坦于1905年首先提出，1926年由德國化學物理家吉爾伯特·路易斯即將命名。
1901年，美國化學學家普朗克發覺物質發出能量和吸收能量具有不連續性特點，提出能量是一份一份發出的能量子假定，并估算出了最小能量的常量，被稱為普朗克常量，這是量子熱學的開山之作。
愛因斯坦從普朗克量子理論中得到啟發，1905年發表了《關于光的形成和轉化的一個試探性觀點》的論文，覺得光和原子電子一樣也具有粒子性，提出“光量子”理論，完美地解釋了光電效應，成立了光電效應定理，由此獲得1921年諾貝爾化學學獎。
光子具有所有基本粒子共有的特點，即波粒二象性，以波的方式傳播，且是一份一份非連續發出。光子一出生就以每秒約30萬千米真空速率運動，永遠不會停出來，因而沒有靜質量，但有動量。每位光子能量為：E=hv=hc/λ，即能量E等于普朗克常數除以頻度。
普朗克常數約等于6.626*10^-34J/s（焦耳/秒）；每位光子的動量為：p=E/c=h/λ。這幾個公式里的λ表示波長，c表示光速，v表示頻度，E表示能量，p表示動量。
由此可以看出，各類光子的能量是不同的，波長越短頻度越高的光子能量就更強，反之則更弱。光子是宇宙中數目最多的存在，無論是晚上還是黑夜，在我們周圍都飽含了光子，隨意手一拍，就有無數的光子打在我們的手掌手指上。
我們人類體會這個世界完全是借助電磁波，也就是所謂的電磁互相斥力，而光子就是電磁波的傳遞媒介，因而電磁波也可以說是光波的合稱。電磁波波長從長到短分別被人們界定為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。
這種“光波”人類肉眼只能看見可見光部份，其余威段和頻度的“光波”只能用儀器探測。電磁波的波長從數公里到10^-30米（億億億分之一米以下）不等，無線電波（包括短波、中波、短波、微波）最長，頻度最低，能量最弱；伽瑪射線波長最短，頻度最高，能量最強。
電磁波波速為光速量子通訊技術，因而波長與頻度的關系遵守公式：λ=c/v或v=c/λ。
怎樣“捉住”一個光子
光子極小，并且極多，一支10瓦的燈泡，發出的能量約10J/s，倘若這10J的能量發出的都是可見光波段的話，其波長就約在380~760nm之間，我們去一個平均值為570nm，按照上面的公式，就可以估算出每位光子能量約為3.5*10^-19J，1個10J的燈泡每秒鐘發出的光子數就有約2.86*10^19個，就是28.6億億個光子。
光本身就攜帶能量，因而用光通信早就是常用的方式了。但所謂量子通信，與常規通信的最大區別就是安全，是采用單光子傳輸，理想的單光子源就是每位脈沖中僅含1個光子。
后面說了，隨意一束光都有無數光子，科學家們怎么從如此多的光子中，把光子分成1個個分發出去呢？這就須要制造單光子源的機器?，F代科技要制造出單光子源并不難，難的是高質量高效率的單光子源。
理論上，只要通過不斷將一個既定能量的光脈沖不斷衰減，才能得到所謂的單光子源。如脈動激光器，每位脈沖能量都是一定的，我們曉得了既定波段或頻度的光子能量，就能否估算出每位脈沖發出的光子數目，通過采用衰減片，將光束衰減足夠的倍數，就能否達到每位脈沖所需發出的光子數了。
如某個脈沖激光發射器，原先每位脈沖發出100萬個光子，把這束光衰減1000萬倍，這樣每位脈沖平均發射的光子就只有0.1個了，也就是10個脈沖里可能有1個脈沖會有1個光子，其他9個脈沖沒有光子，這樣這個脈沖激光器就成為單光子源了。
這些技巧理論上還可以再稀釋光子倍數，如稀釋1億倍甚至10億倍，這樣，就可能在100個甚至1000個脈沖里出現1次2個光子現象，這樣雖然單光子獲得率大大提高了。
目前，實驗室的單光子源絕大多數是采用這些技巧。但這些單光子源光子數服從泊松分布，嚴格來講很難實現高效率單光子脈沖。由于這個隨機過程并不會以人的意志為轉移，有時侯會出現1個脈沖包含2個光子的情況，這樣就增加了量子通信的可控性和安全性。
衰減倍數越大，得到單光子的機率會提升，但沒有光子的空脈沖就越多，效率就大大減低了。因而，這些傻蛋式的精度提高，與效率背道而馳。
所以，一個完美的單光子源，須要同時滿足確定性偏振光、高含量、高全同性和高效率，這是四個幾乎互相矛盾的嚴酷條件，解決這個矛盾，這才是技術難點。
由此，科學家們又研究出許多獲得單光子源的方式，其中量子點單光子源是目前比較先進的方式。這些技巧可以讓量子點穩定地發出單個光子流，與其他單光子源相比，量子點單光子源具有較高的振子硬度，較窄的譜線長度，且不會發生光褪色。
這些單光子源技術，日本耶魯學院在2001年就研制下來了，大大增加了第二個光子形成的可能性；2002年富士通和劍橋學院合作，采用量子點結構的LED實現了電注入單光子發射；我國中科院半導體研究所在2007年成功實現了量子點單光子發射。
如今，我國在量子點單光子發射方面早已走在世界前列，以潘建偉教授為首的中科大團隊首創了點脈沖共振迸發技術，從根本上清除了量子點激子相干效應。采用這項技術，相比之前萬分之一迸發功率，就可確定地形成含量為99.5%的高品質單光子，是國際公認制備高品質單光子的神器。
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不僅制備單光子，量子通信還有好多復雜技術
這種技術包括單光子的編碼和傳輸問題、光子檢查和接收問題等等。
如單光子編碼，就涉及到用偏振光還是相位，就是采用偏振光片還是半波片、各種干涉儀，怎樣處理編碼過程帶來的耗損等等。
遠程傳輸是采用光纖，還是隔空無線傳遞，才能傳遞多遠，通過哪些方式中繼，訊號怎樣保持或放大，采取哪些樣的形式實現量子秘鑰分發、量子隱型傳態，怎么解決傳輸過程中的安全與訊號衰減問題。
而在接收終端，就必須有一臺精確高效的單光子偵測接收裝置，也就是說接收到1個光子就能否敏感響應。這一點雖然并不是很難做到，因為人的耳朵只要有10個光子就能否感光，而烏龜的耳朵聽說就才能看見單個光子。比較難的是，這個偵測器要才能響應合適的波長范圍，并且要高效反應，在高噪音環境實現高效通信。
這種，中國早已取得突破。如科技學院郭光燦教授領導的團隊與英國馬庫斯·休伯院士合作，成功實現了在高噪音環境下的高維量子通信；以潘建偉為首的科學團隊，建立了全球首個星地量子通訊網，實現了跨越4600公里的星地量子秘鑰分發。
而法國帕多瓦學院的研究人員，則在2019年就實現了超過20000公里的超遠距離單光子交換傳輸，創造了新的世界紀錄，這也否認了微型量子通信在全球范圍內施行的可能性。
從上述介紹可以看出，量子通信早就早已從實驗室推向了社會運用，假如還硬要說量子通信是假的，就是選擇性失聰，掙開耳朵說假話了。
這兒多說一句，量子通信是基于英國科學家1984年制訂的BB84合同和以后改進的BBM92，以及2012產生的MDI-QKD合同，是國際上通用的量子秘鑰分發合同。其主要目的是借助量子力學的不確定性原理和量子不可克隆性，以光子的偏振光態作為信息載體來傳遞秘鑰，降低安全通信的距離。
因而量子通信與量子糾纏的超距超光速傳輸的奇特效應沒有半毛錢關系，假如有人刻意從這方面宣傳誘導，將量子通信神秘化，就有偽科學之嫌了。對此你怎樣看？歡迎討論，謝謝閱讀。
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