量子通信在中國發(fā)展得紅彤彤火火，非常有一位叫潘建偉的科學(xué)家，率領(lǐng)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(xiàn)。其中懷疑最大的就是單光子發(fā)射和接收量子通訊技術(shù)，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(fā)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(fā)射出去。
量子通信的三大核心技術(shù)為：單光子源技術(shù)、量子編碼和傳輸技術(shù)、光子測量技術(shù)。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(xiàn)的呢？我們來分享一下。
先談?wù)勀男┦枪庾?span style="display:none">PrZ物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
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(guī)范玻骰子性質(zhì)。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(xué)物理家吉爾伯特·路易斯即將命名。
1901年，美國化學(xué)學(xué)家普朗克發(fā)覺物質(zhì)發(fā)出能量和吸收能量具有不連續(xù)性特點，提出能量是一份一份發(fā)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(xué)的開山之作。
愛因斯坦從普朗克量子理論中得到啟發(fā)，1905年發(fā)表了《關(guān)于光的形成和轉(zhuǎn)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(yīng)，成立了光電效應(yīng)定理，由此獲得1921年諾貝爾化學(xué)學(xué)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(xù)發(fā)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(zhì)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(shù)除以頻度。
普朗克常數(shù)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(shù)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(shù)的光子打在我們的手掌手指上。
我們?nèi)祟愺w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(shù)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(shù)，因而波長與頻度的關(guān)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(fā)出的能量約10J/s，倘若這10J的能量發(fā)出的都是可見光波段的話，其波長就約在380~760nm之間，我們?nèi)ヒ粋€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(fā)出的光子數(shù)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(guī)通信的最大區(qū)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(shù)光子，科學(xué)家們怎么從如此多的光子中，把光子分成1個個分發(fā)出去呢？這就須要制造單光子源的機器?，F(xiàn)代科技要制造出單光子源并不難，難的是高質(zhì)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(fā)出的光子數(shù)目，通過采用衰減片，將光束衰減足夠的倍數(shù)，就能否達到每位脈沖所需發(fā)出的光子數(shù)了。
如某個脈沖激光發(fā)射器，原先每位脈沖發(fā)出100萬個光子，把這束光衰減1000萬倍，這樣每位脈沖平均發(fā)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(shù)，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(xiàn)1次2個光子現(xiàn)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(shù)是采用這些技巧。但這些單光子源光子數(shù)服從泊松分布，嚴格來講很難實現(xiàn)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(zhuǎn)移，有時侯會出現(xiàn)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(shù)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(shù)難點。
由此，科學(xué)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(wěn)定地發(fā)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(fā)生光褪色。
這些單光子源技術(shù)，日本耶魯學(xué)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?qū)W院合作，采用量子點結(jié)構(gòu)的LED實現(xiàn)了電注入單光子發(fā)射；我國中科院半導(dǎo)體研究所在2007年成功實現(xiàn)了量子點單光子發(fā)射。
如今，我國在量子點單光子發(fā)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(chuàng)了點脈沖共振迸發(fā)技術(shù)，從根本上清除了量子點激子相干效應(yīng)。采用這項技術(shù)，相比之前萬分之一迸發(fā)功率，就可確定地形成含量為99.5%的高品質(zhì)單光子，是國際公認制備高品質(zhì)單光子的神器。
作為通?？破?，這兒就不過多列舉其中復(fù)雜的專業(yè)術(shù)語了，有興趣的同學(xué)可以百度搜閱有關(guān)資料。
不僅制備單光子，量子通信還有好多復(fù)雜技術(shù)
這種技術(shù)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(xiàn)量子秘鑰分發(fā)、量子隱型傳態(tài)，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(yīng)。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?shù)亩渎犝f就才能看見單個光子。比較難的是，這個偵測器要才能響應(yīng)合適的波長范圍，并且要高效反應(yīng)，在高噪音環(huán)境實現(xiàn)高效通信。
這種，中國早已取得突破。如科技學(xué)院郭光燦教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊與英國馬庫斯·休伯院士合作，成功實現(xiàn)了在高噪音環(huán)境下的高維量子通信；以潘建偉為首的科學(xué)團隊，建立了全球首個星地量子通訊網(wǎng)，實現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子秘鑰分發(fā)。
而法國帕多瓦學(xué)院的研究人員，則在2019年就實現(xiàn)了超過20000公里的超遠距離單光子交換傳輸，創(chuàng)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(nèi)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(xué)家1984年制訂的BB84合同和以后改進的BBM92，以及2012產(chǎn)生的MDI-QKD合同，是國際上通用的量子秘鑰分發(fā)合同。其主要目的是借助量子力學(xué)的不確定性原理和量子不可克隆性，以光子的偏振光態(tài)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?shù)钠嫣匦?yīng)沒有半毛錢關(guān)系，假如有人刻意從這方面宣傳誘導(dǎo)，將量子通信神秘化，就有偽科學(xué)之嫌了。對此你怎樣看？歡迎討論，謝謝閱讀。
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