隨著現今世界信息技術的迅猛發展，以微電子技術為基礎的信息技術正式達到數學極限，而以量子效應為基礎的量子通訊，則正在逐漸成為推動未來科技發展的重要領域，正式開啟一次新的技術革命。量子通訊是一種借助量子力學基本原理、量子系統特有屬性以及量子檢測方式來實現信息傳遞的通訊技術。目前量子通訊主要涉及：量子密碼通訊、量子遠程傳態和量子密集編碼等技術。最近這門學科已逐漸從理論邁向實驗，并向實用化不斷發展。因為高效率和絕對安全等特性，量子通訊已成為國際上量子化學和信息科學的研究熱點。
奇妙的量子現象
眾所周知，人類的科技革命都得益于對客觀世界認知的進步量子通訊的原理，如第二次科技革命就是基于19世紀初電磁學領域的一系列重要發覺。同樣，量子通訊技術的快速發展正是基于20世紀諸多科學家對量子領域的不斷開拓。對量子通訊來說最重要的兩個理論基礎便是不確定性原理和不可克隆原理。
在微觀領域中，個別數學量的變化是以最小的基本單位跳躍式進行的，并不是連續的，這個最小的基本單位稱作量子，如原子、電子、光子等。一個世紀以來，人類對量子的研究已然漸漸產生了一門重要的學科——量子熱學。
1927年日本知名科學家海森伯提出了量子熱學的不確定性原理，它表明：一個量子的個別化學量（如位置和動量，或方位角與動量矩，還有時間和能量等），不可能同時具有確定的數值，其中一個量越確定，另一個量的不確定程度就越大。檢測一對共軛量的偏差（標準差）的乘積必然小于常數h/2π（h是普朗克常數）。它反映了微觀粒子運動的基本規律。
而量子的不可克隆則是另一條量子熱學的基本原理：量子被覺得是不可復制的。假如一枚旋轉著的硬幣是量子世界中一個物體，一旦你要復制它，勢必要對它進行檢測，這些外來的行為都會改變它的運動狀態。也就是說，任意量子的狀態，在遭到復制或檢測時，就會發生變化。換個角度說，量子一旦被檢測過，就不再是原先的那種量子了。
原子
分子
光子
以上是化學量的基本單元
在量子熱學中存在著另一重要的獨特現象——糾纏效應。在量子化學中，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著某種糾纏關系，不管它們被分開多遠，只要一個粒子發生變化能夠立刻影響到另外一個粒子，即兩個處于糾纏態的粒子無論相距多遠，都能“感知”和影響對方的狀態，這就是量子糾纏現象。
雖然愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現象的存在，但卻不樂意接受它，并斥之為“幽靈般的超距作用”。他覺得宇宙的組成部份是互相獨立的，它們之間的互相作用遭到了時空的限制，是定域性的。因此，愛因斯坦與另一位科學巨人玻爾，在量子熱學的化學演繹以及相與俱來的科學哲學問題上展開了激烈對決，史稱“關于化學學靈魂的論爭”。以玻爾為代表的赫爾辛基學派覺得任何兩個物質之間，不管距離多遠，都有可能互相影響，不受四維時空的約束，是非定域的，宇宙在冥冥之中存在深層次的內在聯系。這場深刻的科學和哲學問題爭辯仍然持續了好多年，成為了科學發展史上的一個重大風波。
為支持玻爾的理論，化學學家貝爾在1964年提出了知名的貝爾不方程，以論證量子化學必須遵守定域性原理。近年來，貝爾不方程已通過了各類各樣的實驗驗證，實驗所得到的結果符合量子熱學理論的預測，但是顯示個別量子效應似乎還能以超光速行進。主流量子力學教科書也已將貝爾定律視為基礎數學定律。在1982年，英國化學學家阿斯佩（A.）和他的小組成功地完成了一項實驗，否認了微觀粒子“量子糾纏”的現象確實存在。
不可破譯的量子秘鑰
隨著信息技術的持續、快速發展，人們早已越來越多地依賴通訊網路進行工作和生活，大量敏感信息須要通過通訊網路傳播，人們須要對自己的信息進行保護以免被泄露或篡改，密碼學為人們提供了這種的保證。但是當前普遍使用的以物理為基礎的密碼體制一直存在著被破譯的風險。隨著密碼學的發展，科學家們提出了量子密碼的概念，并把它成功地應用于通訊系統中。與往年的密碼體制不同，量子密碼以量子熱學中的不確定性原理和不可克隆原理為基礎，用量子狀態來作為信息加密和揭秘的秘鑰——量子秘鑰。量子通訊過程中假如存在監聽或則對信息的復制，就是一種檢測行為。通過這兩個量子熱學的基本原理可知，監聽者永遠沒法測得量子體系的全部信息并獲得復制品，也難以掩藏監聽行為的存在。因而從理論上講，量子通訊是絕對安全的。
愛因斯坦與玻爾關于“物理學靈魂”的論爭玻爾所代表的赫爾辛基學派覺得世界任何物質的存在都是一種機率，例如一個量子可以以一定幾率處于任何狀態，對其檢測造成了機率的塌縮。檢測如同擲色子一樣，檢測的結果哪些可能都有，但又有一定幾率。愛因斯坦所代表的精典學派則覺得，我們的世界是一種客觀存在，是確定的，并不應當是一種機率，他覺得“上帝是不會擲色子的”。從某種意義上來說這張圖抒發了兩種思想的矛盾。
在以量子糾纏效應為基礎的量子通訊中，科學家們巧妙地借助了量子糾纏現象實現了秘鑰的制做，即通訊雙方密碼本的制備。在即將通訊前，通訊雙方事先儲備了大量的糾纏粒子對。當通訊一方對自己那邊的糾纏粒子進行一定操作時，通訊另一端處于糾纏狀態的粒子都會有相應的反應，通信雙方便可以借助這些“感知”，構建起默契，制做出通訊所需的秘鑰。
另一種形成量子秘鑰的方式，則是被叫做BB84的方案。兩位科學家貝內特（C.H.）和布拉薩德（G.）在威斯納（S.）的電子美鈔啟發下，于1984年提出了這個量子密碼分配合同，后來被命名為BB84方案。該分配方案借助單個光子來攜帶一個比特的信息，按照量子的不可分割性，這一個比特的信息也是不可分的，也就難以用分流訊號的辦法來監聽。而光子的多個化學量都可以拿來攜帶這一個比特的信息，比如光子的偏振光態。每位光子都有一個偏振光方向，且光子的線偏振光和圓偏振光又不可同時檢測，這樣便可以有效地借助不確定性及不可克隆原理來實現秘鑰分配。
BB84方案為兩個遙遠的用戶之間構建無條件安全的量子秘鑰提供了一個強有力的途徑。但是在實際應用中，理想的單個光子仍未實用化。現今量子秘鑰分配方案中常見的光源為激光光源，其量子態為相干態——多個光子具有相同的量子態。假如采用富含多光子的光源進行秘鑰分發，將會存在安全性隱患。監聽者可以采用光子數分離功擊的方式來恐嚇密碼的安全性。監聽者可以對通訊一方發射的光子數進行檢測，假如光子數等于1，則吸收該光子；假如光子數小于1，監聽者則從中分離一個光子給自己，再將剩余的光子發射給通訊接收一方，因而實現監聽。引誘態量子密碼方案，則是用于抵抗這些分束功擊的有效方式。其基本原理是發送方隨機地使用兩個波長、線寬等化學常數都相同，只有硬度不同的弱相干態光源。其中一個稱為訊號態，用于量子秘鑰分配，另一個稱為引誘態，用于偵測監聽者的存在，因為兩個態的比列是確定的，一旦有人進行光子數分離攻擊，兩個態的比列都會發生變化，因而發覺被監聽。這些技巧在量子通訊的同時，實現了對通訊信道安全的實時監控，因而保證了安全。
量子通訊的實現歷程
量子通訊可有效對抗監聽行為
通過BB84方案或是量子糾纏效應，通訊雙方就可以獲得用于對通訊信息進行加密的秘鑰。因為環境噪音和監聽者的存在，量子通訊還須要量子傳輸、數據篩選、數據糾錯、保密提高四個過程。
一般一個典型的量子通訊系統的實現可以大致這樣描述：發送者制備須要傳遞的明文，使用通過量子秘鑰分配（或則其他的方式）獲得的秘鑰加密明文，獲得編碼后的密文。密文經通訊介質發送給接收者。接收者通過偵測接收到密文后，借助此前獲得的秘鑰進行揭秘，得到明文，最后解碼獲得相關信息。依此便可實現量子通訊。
可以借助量子糾纏形成通訊秘鑰
為了讓量子通訊從理論走到現實，從２0世紀末開始，國外眼科學家做了大量的研究工作。自1993年日本IBM公司的研究人員提出量子通訊理論以來，韓國國家科學基金會和國防中級研究計劃署都對此項目進行了深入的研究；歐共體在1999年開始集中國際力量旨在于量子通訊的研究，研究項目已多達12個；臺灣郵政省更是把量子通訊作為21世紀的戰略項目；我國從1980年代開始從事量子光學領域的研究，近幾年來，中國科技學院的量子研究小組在量子通訊方面也已取得了突出的成績。
2002年10月5日，美國蘇黎世學院和美國美軍下屬的研究機構合作，在美國和加拿大邊境相距23.4公里的楚格峰和卡爾文德爾峰之間用激光成功傳輸了光子秘鑰。
2003年，美國、中國、加拿大等國學者提出了引誘態量子密碼理論方案，徹底解決了真實系統和現有技術條件下量子通訊的安全速度隨距離降低而嚴重下滑的問題。
2004年6月3日，新加坡BBN技術公司構建了6節點量子密碼通訊網路。
2006年夏,中國科技學院量子研究小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲蘇黎世學院-維也納學院聯合研究小組各自獨立實現了引誘態方案，同時實現了超過100公里的引誘態量子秘鑰分發實驗，由此打開了量子通訊邁向應用的房門。
2008年年末，我國成功研發了基于引誘態的光纖量子通訊原型系統，在揚州成功成立了世界上首個3節點支鏈光量子電話網，成為國際上報導的絕對安全的實用化量子通訊網路實驗研究的兩個團隊之一。
2009年9月，我國又在3節點支鏈光量子電話網的基礎上，建成了世界上首個全通型量子通訊網路，首次實現了實時語音量子保密通訊。這一成果在同類產品中高踞國際先進水平，標志著中國在城域量子網路關鍵技術方面早已達到了產業化要求。
2010年9月，中國科技學院、中科院武漢技術化學研究所、中科院光電研究所等量子通訊研究團隊強強合作，在西藏河畔實現了世界上首次浮空平臺和衛星運動模擬的量子秘鑰分配實驗，這也標志我國已突破了構建星地量子通訊的關鍵技術，為將來實現全球量子通訊網路打下了堅實的基礎。
星地量子通訊的“中國夢”
目前，量子通訊系統的應用研究基于傳輸介質的不同主要有兩種，即光纖和自由空間的量子通訊。
以光纖為依托，融激光技術、光纖技術、計算機技術、通信技術、網絡技術等為一體的，以交互方法傳遞信息數據的“信息高速道路”已經廣泛使用，相關技術早已比較成熟，這種都為進行基于光纖的量子通訊提供了有利條件。現在光纖量子通訊的研究成果早已接近于實際應用，可以預見在近來幾年內光纖量子通訊系統就才能應用于實際的保密通訊中。并且因為月球曲率的影響和光纖耗損的降低，在地面施行遠距離量子通訊很困難，如光纖中的光子衰減問題，致使糾纏態的兩點之寬度離最多只有100公里。而光子在自由空間中傳輸可大大突破這些傳輸距離限制，因而星地量子通訊成為一種更好的選擇。
星地自由空間的量子通訊
要在廣袤的宇宙中實現衛星與地面之間的量子通訊，首先要通過一個捕獲、跟蹤、瞄準（and,ATP）系統構建起量子秘鑰分配所需的通訊信道。而為星地激光通訊發展上去的光學定位、探測和跟蹤等技術因此提供了技術上的支持。秘鑰分配的通訊鏈路完善以后，通訊系統借助單光子偏振光態加載信息，按照相應的量子秘鑰分配合同，便可在通訊兩端形成絕對安全、無法監聽的共享秘鑰。明文借此秘鑰加載，就可以通過精典信道進行傳輸，進而實現星地間的量子通訊。通過衛星這個載體，不但才能實現星地的量子通訊，并且還能實現全球任意點對點的量子通訊。
為應對自由空間量子通訊領域內激烈的國際競爭，中國科大學于2008年啟動了知識創新工程重大項目——空間尺度量子實驗關鍵技術研究與驗證試驗。在隨后的5年時間里，整個科研團隊在潘建偉教授領導下，經過不懈努力，早已取得了多項重要進展。如：成功研發了星載量子通訊所需的ATP系統樣機，提出了完整的星地量子通訊系統方案，攻破了星地量子通訊的核心關鍵技術，并在美麗的西藏河畔順利完成了世界上首次浮空平臺量子秘鑰分發試驗、百公里單向量子糾纏分發試驗、百公里量子隱型傳態試驗等。在項目執行期間，研究團隊共發表論文幾十篇，其中多篇論文發布在《自然》周刊或其子刊、《美國科大學院刊》、《物理評論快報》等國際性學術期刊上。更為重要的是該項目為我國在空間量子通訊領域培養了一支優秀并且年青的隊伍，為我國在該領域內的長遠發展和保持國際領先地位奠定了堅實基礎。
綜觀世界，如今已有多個國家舉辦了將量子通訊應用于衛星平臺的計劃，我們國家對此也是雄心勃勃，中國科大學捉住機遇，開始施行量子科學衛星計劃。目前計劃在2016年左右，以我們國家為主導發射一顆量子科學實驗衛星，就能實現從上海到山西，乃至國際上其他站點之間的量子通訊網路。這也是中國科大學空間科學戰略性先導科技專項中首批確定的五顆科學實驗衛星之一，該項目就能提供一個衛星與地面間遠距離量子科學實驗的平臺量子通訊的原理，并在此平臺上完成空間大尺度量子科學實驗。
回顧我國科研工作者在量子通訊領域內的多年付出，可以驚訝地看見中國正在該領域漸次崛起。正如《自然》周刊的評論：“中國在量子通訊領域內，已從六年前不起眼的國家發展為現今的世界勁旅，并將領先于亞洲和北美。”因為歷史上的種種緣由，中國早已錯失了前四次科技革命帶來的機遇，在第五次科技革命中，中國也只是一個跟蹤者，并且是一個沒有取得優良成績的跟蹤者。面對將要到來的新改革，我輩自當奮發圖強，捉住機遇實現宏偉的“中國夢”，在歷史上寫下屬于自己的華麗篇章，真正實現跨越式的發展，讓光子舞動于空曠的宇宙空間。