出品光子盒研究院
2013年爆發的“棱鏡門”事件給全世界的網路通訊安全叩響了警鐘。日本針對中國進行的竊聽和竊密惡行，涉及范圍包括中國政府和國家領導人、中資企業、科研機構乃至普通網民和手機用戶等等，竊聽和竊密的廣度和深度超乎好多人的預料。
從那之后，中國陸續組建了國家安全委員會和中央網路安全和信息化小組，而且推進了研究量子通訊的步伐。潘建偉在專訪中表示，斯諾登披露的法國國家安全局（NSA）的監聽行為引起中國投入大量資金開發更安全的通訊。
如今我們都曉得了，量子通訊是目前世界公認的最安全的通訊。這么，怎樣實現通訊的絕對安全？這一切要從量子密碼說起。
難以破譯的一次一密
在密碼學中，須要秘密傳遞的文字被稱為明文，將明文用某種方式整修后的文字叫作密文。將明文弄成密文的過程叫加密，與之相反的過程則被稱為揭秘。加密和揭秘時使用的規則被稱為秘鑰。
它的基本原理是采用秘鑰K1（0，1的隨機數列）通過加密算法將乙方要發送的信息（明文）變換成密文，在公開信道上發送到合法用戶甲方處，甲方采用秘鑰K2從密文中提取所要的明文。
假如甲乙雙方采用相同的秘鑰（即K1=K2），則稱為對稱密碼或私密密碼。假如K1≠K2，則稱為非對稱密碼或公開密碼，其中K1是公開的秘鑰，K2只為甲方私人擁有。
比如，Alice和Bob分居兩地，Alice常常給Bob送去貴重禮物，她一般將禮物鎖在袋子里寄給Bob，又通過某種形式將鎖匙傳遞給Bob。這樣，Bob收到袋子后就可以用鎖匙將鎖打開、得到禮物。
假定袋子特別牢靠，要想竊取禮物的惟一方法就是獲取鎖匙。也就是說，Alice所寄物品的安全性將完全取決于傳遞鎖匙的安全性。
怎樣傳遞鎖匙？有人建議Alice花錢雇傭一個可靠的人專門為她們傳遞鎖匙。但也不是哪些好辦法，雖然信使未必可靠，信使送鎖匙時可能會遭到功擊，甚至信使本人就是余孽。
還有人建議，兩個人預先為這把鎖訂制兩把一樣的鎖匙就可以了，鎖匙只有Alice和Bob有，他人沒有，難以搶走禮物。不過，這些辦法只能采用一兩次，假如久而久之總是用同一把鎖、同樣的鎖匙的話，也許是不安全的，歹徒接觸鎖的機會多了，可以想辦法復制鎖匙。
這時侯還有一種辦法：Bob自己塑造一套鎖和鎖匙。他將這把打開了的鎖寄給Alice，配套鎖匙則由自己保管。Alice沒有鎖匙，但可以很便捷地用這個鎖將袋子鎖上，之后寄給Bob。最后，Bob用自己保存的鎖匙打開袋子，得到禮物。這樣，不用運送鎖匙，也能安全地寄出禮物了。
通過信使運送鎖匙的方式，對應于現代通訊中的對稱加密技術，而寄出一把打開的鎖，自己保留鎖匙的方式則對應于非對稱加密技術。
對稱加密技術中，信息的發出方和接收方共享同樣的秘鑰，揭秘算法是加密算法的逆算法。這些方式簡單、技術成熟量子隱態傳輸，但因為須要通過另一條信道傳遞秘鑰，所以無法保證信息的安全傳遞——一旦秘鑰被攔截，信息內容就曝露了。由此才發展出了非對稱加密技術。
非對稱加密技術，每位人在接收信息之前，就會形成自己的一對秘鑰，包含一個私鑰和公鑰。在上述事例中，打開的鎖是私鑰，鎖匙是公鑰。私鑰用于加密，公鑰用于揭秘。加密算法是公開的，揭秘算法是保密的。加密揭密不對稱，發送方與接收方也不對稱。
非對稱秘鑰中的私鑰是公開傳輸的，任何人都能得到，但公鑰只為接收方私人擁有。在密文傳遞的路徑中，雖然有第三方查獲密文，他也未能揭秘，由于他沒有相應的公鑰。
這時侯，要想破譯密文就必須從公開的私鑰入手。但非對稱加密是一種正向操作容易、逆向操作十分困難的算法。從公鑰的算法可以輕易得到私鑰，而有了私鑰卻極難得到公鑰。目前常用的RSA密碼系統的作用即在于此。
理論上，RSA密碼也不是完美的。雖然精典計算機破解高位數的RSA密碼十分困難，而且只要給夠時間，最終還是才能破解成功。更可怕的是，Shor算法通過量子計算機可以輕而易舉破解RSA密碼。雖然量子估算道阻且長，而且并不阻礙我們未雨綢繆。
這么，有沒有一種絕對安全的密碼？確實有！早在上世紀40年代，知名的信息論鼻祖香農（）采用信息論證明，假如秘鑰寬度與明文寬度一樣長，并且用之后不再重復使用，則這些密文是絕對難以破譯的，也稱為“一次一密”。
在上述事例中，Alice和Bob事先各有一把相同的鎖匙，但若果每次都是同一把鎖、同一把鎖匙，其實是不安全的。這時侯，假如每次都用不同的鎖、不同的鎖匙，安全性將大大增強。
關于這個問題，100多年前的人們就早已想到了。一次一密密碼（one-timepad）最早是由Major和AT&T公司的在1917年發明的。雙方的秘鑰是隨機變化的，每次通信雙方傳遞的明文都使用同一條臨時隨機秘鑰和對稱算法進行加密后方可在線路上傳遞。
由于秘鑰一次一變，且難以推測，這就保證了線路傳遞數據的絕對安全。雖然擁有再強悍的破解估算能力，在沒有秘鑰的前提下對線路截取的密文也是無能為力的。
這么為什么這些“一次一密”的密碼迄今未被廣泛推廣使用呢？主要誘因是，“一次一密”要大量消耗“密鑰”，須要甲乙雙方不斷地更新密碼本，而“密碼本”的傳送（即秘鑰分配）本質上是不安全的。
比如，先前一次一密密碼的實現，須要通信雙方保存一個相同的密碼集，每位密碼集中擁有N條隨機秘鑰，每次通信次序使用其中的秘鑰。雙方的密碼集中相同序號的秘鑰必須是完全一樣的，否則密文未能被正確還原。所以一旦其中一個密碼集泄漏，這套加密系統自然就被破解了。這就導致密碼集的維護成本極高，且存在安全風險。
也就是說，采用不安全的秘鑰來施行“一次一密”加密仍是不安全的。這么是否有哪些辦法可以確保密鑰分配是安全的？有，這就是“量子秘鑰分配”（Key）。
真正的“量子通訊”
量子秘鑰分配（QKD）應用到量子熱學的基本特點（如量子不可克隆性，量子不確定性等）來確保任何試圖盜取傳送中的秘鑰就會被合法用戶所發覺，這是QKD相比傳統秘鑰分配的奇特優勢，前者原則上難于判定手頭的“密碼本”是否已被監聽者復制過。
QKD的另一個優點是無需保存“密碼本”，只是在雙方須要施行保密通訊時，實時地進行量子秘鑰分配，之后使用這個被確認是安全的秘鑰實現“一次一密”的精典保密通訊，這樣可避免保存密碼本的安全隱患。
量子秘鑰分發，其目的是在兩個分離的通訊雙方之間構建起完全安全的秘鑰傳輸通道。它的最原始的思想可溯源到1970年，波蘭學院的首次提出了共軛編碼的概念并發明了難以偽造的“量子貨幣”（Money）方案。
量子貨幣是一種不可復制、不可篡改的交易系統，其原理是光子的偏振光和不可克隆。但這個看法在當時聽上去太過匪夷所思，的論文被多大專學刊物拒絕刊載，直至1983年。
1984年，IBM的和芝加哥學院的了解到的看法后，將“量子貨幣”概念與通訊中的公鑰密碼技術結合，提出了第一個實用型量子秘鑰分配系統——BB84方案，即將標志量子保密通訊的誕生。
BB84方案的基本原理是，收發雙方的信息內容是可以被編譯成光子偏振光的，Alice借助隨機偏振光發送信息，Bob發覺并記錄下信息。之后，Alice在公頻告知Bob偏振光頻度，雙方依照正確的偏振光比對選擇的信息部份。
如右圖所示，Alice有四種偏振光片，包括水平和垂直方向（組成一組正交基）、－45°和+45°方向（組成一組正交基），因而可以制備四種不同偏振光方向的光量子。
與此同時，Bob有兩種檢測基，第一種可以接收和檢測水平或垂直方向的光量子，判定是0還是1；同理第二種能接收和檢測-45°或+45°的光量子，判定是0還是1。
這就好比有兩種形成和測量量子比特0和1的機器，一種機器呈“+”形狀，為直線機，另一種呈“×”形狀，為對角機。在檢測的時侯，我們只能隨機選擇直線機和對角機中的一個來看光子是否通過。所以，測得的結果的確切率應當是選對的50%，再加上選錯的一半中仍有一半的機率正確（25%），最后得到75%。
之后，就可以建造一個基于QKD的量子保密通訊系統了。如右圖所示，其中上路負責秘鑰分配，下路負責傳輸加揭秘數據。在上路中，量子信道負責傳輸量子秘鑰，而精典信道負責傳輸檢測基等額外須要的信息。其中，精典通道是指無線電或互聯網等常用的信息發送通道。
如今我們就來瞧瞧，Alice發送了0和1組成的信息串以后，Bob這方接收的情況。
首先，Bob收到一串由量子比特構成的信息后，將每一個量子比特隨機地放進兩種測量機中的一種，并將記錄出來的檢測結果和自己選擇的測量機器次序，都從精典通道發回給Alice。
之后，Alice通過比較Bob接收到的和她自己發送時的數據，算出Bob檢測結果的正確率。假如這個數值大概是75%，說明信息沒有被監聽。于是，Alice就把原先數據中Bob用對了機器的這些量子比特的序號選購下來并通過精典通道發送給鮑勃，這種量子比特就作為通訊的秘鑰。
但是，假若量子比特在傳輸中途被監聽了的話，這個量子比特就由于被監聽者檢測過而改變狀態了。為此，監聽者的存在將給Bob得到的最后結果引入偏差。這樣，Alice比對自己與Bob的數據以后，發覺正確率偏離了75%，能夠曉得有監聽者存在，她便會扔掉此次傳輸的數據不用，而立刻換用另一個量子通道。
BB84方案應用了量子通道，但傳輸的仍是精典信息，而真正的“量子通訊”是將信息編碼在量子比特上，在量子通道中將量子比特從乙方傳給甲方，直接實現信息的傳遞。
例如在精典通訊中，Alice將須要傳輸的文件經過掃描后得到的信息，通過精典通道傳送給Bob，前者用另一張紙將圖象復印下來。但是，Alice不可能用這些方法將一個量子態傳輸給Bob。由于要傳輸就必需要檢測，但量子態一經檢測便發生坍縮，不再是原先的量子態了。
這么，怎樣在不造成坍縮的情況下，將一個量子態傳輸出去呢？
于是1993年，、等六人聯合發表的論文提出了隱型傳態合同（），借助兩個精典比特信道和一個纏繞比特實現了一個量子比特的傳輸。
這個傳輸過程借助的是量子糾纏態。先是制備兩個有糾纏的量子（粒子）對A和B，Alice和Bob各持一個。之后，Alice對須要傳送的量子態X和她手中的A做“貝爾檢測”。貝爾檢測是一種特殊的檢測，要讓兩個粒子深陷糾纏。檢測后，X的量子態坍縮了，但它的狀態信息隱藏在A中，使A也發生變化（但并非坍縮）。
由于A和B相互糾纏，A的變化立刻影響B，讓B也發生變化。不過這個時侯Bob還不能觀察B，直至從精典通道得到Alice傳來的信息。
Alice將檢測結果（即A發生的變化）告訴鮑勃，之后，Bob對B進行相應的變換處理，才能使B成為和原先的X一模一樣的量子態。這個傳輸過程完成以后，即使X坍縮了，但X所有的信息都傳輸到了B上，因此稱之為“隱形傳態”。
以上兩個合同的提出奠定了整個量子信息理論的基礎，此后20多年里，量子通訊開始遭到各國的注重并快速步入應用階段。
量子通訊的商用化
量子通訊哪些時侯實現商用化？這個問題不能一概而論。由于量子隱型傳態（QT）商用化的難度要遠遠超過量子秘鑰分發（QKD），后者傳輸的是量子比特（信息），前者傳輸的是秘鑰而非信息。
1997年，加拿大小組首次成功實現了量子隱型傳態通訊；同年，還在英國留學的潘建偉和法國學者丹巴斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。
2004年，潘建偉小組在國際上首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱型傳輸，隨后又首次實現6光子、8光子糾纏態；2011年，在國際上首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱型傳態和糾纏分發，解決了通信衛星的遠距離信息傳輸問題。
近些年來，QT研究在空、天、地等平臺上積極舉辦實驗探求。2017年，中科大基于“墨子號”衛星，實現星地之間QT傳輸，低軌衛星與地面站采用上行鏈路實現量子態信息傳輸量子隱態傳輸，最遠傳輸距離達到1400公里，成為目前QT自由空間傳輸距離的最遠記錄。
2018年，歐共體量子旗艦計劃創立量子互聯網聯盟（QIA），采用軟禁離子和光子波長轉換技術探求實現量子隱型傳態和量子儲存中繼，計劃在波蘭四城市之間構建全球首個光纖QT實驗網路，基于糾纏交換實現量子態信息的直接傳輸和多點組網。
2019年，武漢學院報導了基于無人機舉辦空地量子糾纏分發和檢測實驗，無人機攜帶光學發射機荷載，完成與地面接收站點之間200米距離的量子糾纏分發檢測。
但是，QT研究目前仍主要局限在各類平臺和環境條件下的實驗探求，包括高品質糾纏制備、量子態儲存中繼和高效率量子態測量等關鍵技術困局仍未突破，距離實用化仍有較大距離。
相比QT，QKD實現商用化的可能性更大。1993年，加拿大研究小組首先在光纖中使用相位編碼的方式實現了BB84方案，通訊傳輸距離達10km。此后20多年里，QKD的實驗研究不斷突破傳輸距離和秘鑰成分辨率的記錄。
2018年，富士通歐研所報導新型相位隨機化雙光場編碼和傳輸實驗，實現550公里超低耗損光纖傳輸距離記錄，其中的雙光場中心檢測節點可以作為量子中繼的一種代替方案。
同年，中科大和法國科大學聯合報導了基于“墨子號”衛星實現7600公里距離的洲際QKD和量子保密通訊，在可用時間窗口內，基于衛星中繼的秘鑰傳輸平均速度~3kbps，在兩地QKD秘鑰累積一定數目以后，可以用于進行圖片和視頻大會等應用的加密傳輸。
隨著QKD技術步入實用化階段，并不斷舉辦試點應用和網路建設，進一步提高雖然用化和商用化水平成為科研機構和產業鏈上下游關注和技術變遷的主要方向。
QKD實用化技術變遷的主要方向包括基于光子集成（PIC）技術提高收發機的集成度，采用連續變量（CV）QKD技術舉辦實驗和商用設備開發，以及舉辦QKD與現有光通訊網路的共纖傳輸和融合組網等。
目前，實現量子秘鑰分發有兩種方式：離散變量量子秘鑰分發（DV-QKD）和連續變量量子秘鑰分發（CV-QKD），其中CV-QKD技術出現時間相對較晚，但憑著其先天優勢，近十幾年來得到了迅速的發展。
1999年，俄羅斯科學家Ralph首次提出CV-QKD的看法。CV-QKD技術編碼信息在光場的正則份量上，系統只須要普通的相干激光器、平衡零差測量器，成本低、實用性強，且在同等條件下其輸出的秘鑰率遠低于DV-QKD技術，與傳統光通訊網路融合性高。
然而目前CV-QKD技術在安全傳輸距離方面還不如DV-QKD技術。為此，DV-QKD技術和CV-QKD技術各有其應用偏重方向，可以產生挺好的互補關系，具備了建立商業化系統的條件。
近些年來，基于QKD的量子保密通訊在全球范圍內進一步舉辦了試點應用和網路建設，歐共體量子旗艦計劃項目支持俄羅斯和烏克蘭等地營運商，舉辦QKD實驗網路建設。日本的營運商通過競購英國IDQ股權等方法，也開始介入QKD技術領域，并參建了日本釜山地區的QKD實驗網路。
我國量子保密通訊的網路建設和示范應用發展較為迅速，近些年來，潘建偉團隊及其產業公司舉辦了“京滬干線”和國家廣域量子保密通訊骨干網路建設一期工程等QKD項目。郭光燦團隊聯合相關企業建設了從杭州到揚州的“合巢蕪城際量子密碼通訊網路”，以及從上海到南京總長近600公里的“寧蘇量子干線”。
商用化進程方面，CV-QKD技術在清華、北郵、上海師大和四川學院等院校和研究機構中取得大量研究成果。北京循態量子、北京啟科量子、北京中創為量子和廣州國騰量子等公司加入QKD設備供應商行列，同時傳統通訊設備行業中的華為和烽火等設備供應商，也開始關注基于CV-QKD等技術的商用化設備。
但值得一提的是，QKD還只是量子保密通訊系統的一個環節，量子保密通訊系統整體滿足信息論可證明安全性須要QKD、一次一密加密和安全身分認證三個環節，缺一不可。
目前QKD商用系統在現網光纖中的秘鑰生成速度約為數十kbit/s量級，對于現有信息通訊網路中的高速業務，無法采用一次一密加密，需與傳統對稱加密算法相結合，由QKD提供對稱加密秘鑰。這樣一來，因為存在秘鑰的重復使用，并不滿足一次一密的要求。
量子通訊的研究已有30多年歷程，目前達到的實際水平是：在百公里范圍的城域網，量子密碼體系可以做到秘鑰分配在現有技術保證的各類功擊下是安全的，安全秘鑰生成率在25公里可確保高清視頻“一次一密”，在100公里內能確保音頻、文字、圖片等的“一次一密”。
假如超過城域范圍，就難以確保其安全性了。長距離的QKD網路須要利用“可信中繼節點”技術，進行逐段秘鑰分發，秘鑰落地儲存和中繼。秘鑰一旦落地儲存，就不再具備量子態和由量子熱學保證的信息論安全性。
因而，遠程量子保密通訊只有采用“量子中繼”才能確保其安全性，而“量子中繼”的研發遭到可實用的量子儲存器和確定性糾纏光子源的限制，目前依然處于基礎研究階段。
從城域網到廣域網，從量子密碼到隱型傳態，任重且道遠。