2017年以來，在代表通訊技術前沿陣地的量子通訊領域，我國堪稱是喜報頻傳：首先是去年3月量子通訊滬寧干線開始最后階段的貫通測試，其次是量子糾纏分發實現千公里量級的傳輸，再度是近期我國成功實現水下量子通訊實驗。一個個里程碑進展的獲得，代表我國不斷攻破量子通訊的關鍵技術困局，將量子通訊研究帶入了新時代。
業界普遍覺得，量子通訊是當前世界上最為先進的保密通訊技術，以量子通訊為基礎，可以構建天地一體化、高速靈活、安全穩定的通訊網路基礎設施。這樣的網路基礎設施除了可以應用于國防、軍事等國家級保密領域，還可以應用在數據中心、金融、區塊鏈、物聯網等國民經濟領域。
這么，以高安全聞名的量子通訊出現的必要性何在?量子通訊又怎樣確保通訊信息的安全性?本文對上述問題進行剖析和說明。
傳統加密算法防護能力趨弱
近些年來“斯諾登風波”的爆發給我國叩響了信息通訊安全的警鐘，而“”、“Petya”等恐嚇病毒的出現，則表明在互聯網前沿領域還存在好多不安全的地帶。為此，強化網路與信息通訊安全保護、構筑信息安全防護的長城，是我國信息通訊領域的當務之急。
正所謂“道初一尺魔高一丈”，安全恐嚇和防治舉措從來都是“矛和盾”的關系，因而安全防護不可能一勞永逸，而是須要依照新的形勢不斷自我提高，這就是量子通訊出現的必要性。
目前業界使用最為廣泛的私鑰加密算法，為1977年由日本三位科學家提出的算法。該算法的原理是，將兩位因數相加獲得一個129位的數字，其中的兩個因數就是隱藏在私鑰加密算法中的關鍵信息。這一加密算法的原理是：兩個素數的乘積估算十分簡單，并且要把乘積進行因式分解難度就非常大，但是數字越大，越無法破解。根據1977年的估算能力，破解129位的數字大概須要4億億年。
并且時隔17年后，破解加密算法的時間就削減到了8個月左右。而現今量子估算出現后，估算速率和能力大大提高，致使破解加密算法的時間進一步削減到了幾十秒。
其根本緣由在于，傳統的通訊加密通常在加密數據和傳輸介質上做文章，而這些加密方式只能降低破譯的難度，無論采用先進算法破譯，還是采用超級計算機暴力破譯，破解傳統通訊加密數據只是時間長短的問題。隨著估算能力的提高，破解時間越來越短，甚至達到秒級。
為此，采用全新信息安全技術提高安全防護能力早已迫在眉睫。與量子估算如影隨形的另一項技術——量子通訊步入了人們視野。
量子熱學三大原理確保信息傳輸安全可靠
在闡述量子通訊之前，首先瞧瞧量子是哪些。量子是能表現出數學特點的最小單元，是能量的最基本攜帶者;一個數學量假如存在不可分割的最小基本單位，這么這個數學量是量子化的。而量子通訊則是結合量子化學學和密碼學，借助量子態的化學性質提供絕對安全保障的通訊方法。
量子通訊之所以安全有保證，主要是由于量子熱學具有三大基本原理：測不準原理、不可克隆原理、糾纏態原理。
測不準原理，即海森堡不確定性原理。與粒子的位置和動量可以同時取確定值所不同的是，受粒子波動性的影響，兩個非對易的量子不可能同時被精確檢測。測不準原理，致使對任何量子傳輸進行竊聽、監測的目的就會落空。
不可克隆原理，是指量子態不同于精典狀態，它特別脆弱，任何檢測就會改變量子態本身，傳輸過程中若果有第三方克隆某個量子態，這么該量子態才會被毀滅，因而一個未知的量子態是難以被精確克隆的。不可克隆原理，有效防止了非法分子通過克隆復制信息的可能。
量子的糾纏態原理相對來說較為復雜，它是指在微觀世界里，不論兩個量子寬度離多遠，就會形成“心電感應”，一個量子的變化就會影響另一個量子。諸如，兩個量子A和B有“0”和“1”兩個狀態，假如A處于“0”的狀況，這么就可以判斷B處于“1”的狀況。這些跨越空間才能頓時影響雙方的量子糾纏，當初被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”，它是量子力量最為神秘的特性之一。
量子通訊的加密原理總結上去有如下兩方面：一是不依賴于傳統的估算復雜性，而是基于量子熱學中的海森堡測不準原理和不可克隆定律等基本原理;二是借助光子的量子態作為秘鑰或則是信息本身的載體，收發雙方可以通過量子檢測的方式測量出這種光子在傳輸過程中是否受到了監聽者的查獲，一旦確認受到監聽則遺棄所傳輸的秘鑰或信息，進而確保過程的安全。
量子通訊出現兩大應用分支
基于量子熱學的三大原理，目前在量子通訊方面出現了兩大應用分支，一個是量子秘鑰分發，二是量子隱型傳態。
量子秘鑰分發技術是把秘鑰編碼在量子態上，借助量子力學原理通過量子信道傳輸于發送者和接收者之間，用于保密通訊雙方之間構建和傳送秘鑰，而經秘鑰加密后的消息密文一直通過傳統信道傳輸。
目前量子秘鑰分發比較知名的理論方案有BB84方案、B92方案和E91方案。其中BB84方案采用4個量子態和兩組正交的檢測基，發送方隨機選擇量子態發送，接受方隨機選擇檢測基檢測。等發送和檢測一組數據后，接受者告訴發送者每次他使用的是那個檢測基，因為發送者清楚地曉得自己發送了什么態，因而他也曉得接受者選錯了檢測基還是選對了檢測基，它通過公開信道告訴接受者保留什么選對了的檢測基結果。
B92方案采用兩個非正態實現量子秘鑰分發，簡化了BB84方案的過程，B92方案中通訊雙方不用通過對比檢測基能夠曉得保留什么結果，簡化了通訊過程，并且傳輸效率下滑了一半，有75%的結果都被拋棄，因而從實際應用的角度看BB84方案更為廣泛。
E91方案將一對互相糾纏的粒子分別發送給收發雙方，讓她們分別對其檢測，當兩個人選定的檢測基一致時，A端可以通過自己的檢測結果推算出B端的檢測結果，因而在兩者之間構建起相同的秘鑰，這就是糾纏態能用于數據傳遞的原理。假如存在監聽者，按照檢測坍縮原理，他的檢測行為一定會破壞量子的糾纏，因而對安全性的檢驗就轉化為了對糾纏的檢驗。與BB84和B92方案相比，E91方案才能提供更高的安全性，并且驗證過程較為煩瑣，傳輸效率低。
量子隱型傳態則是一種借助量子安全特點進行直接通訊的形式。與量子秘鑰分發的根本性區別在于，量子隱型傳態過程中，通訊雙方不須要事先生成秘鑰，而是通過直接完善量子信道的方法進行通訊，即直接完成秘密信息的安全傳輸，而無需進行使用秘鑰的加密和揭秘處理。量子隱型傳態的安全性也是基于量子不可克隆原理、量子測不準原理，以及糾纏粒子的關聯性和非定域等。總體而言，量子隱型傳態還處于基礎研究階段。
我國坐落研制應用前列
1982年，澳洲化學學家艾倫·愛斯派克特成功完成了一項實驗，否認微觀粒子“量子糾纏”的現象確實存在;1993年，加拿大科學家C.H.提出了量子通訊的概念，同年6位來自不同國家的科學家，基于量子糾纏理論，提出了量子通訊最初的基本方案，由此開啟了量子通訊從實驗室邁向產業應用的新階段。
在產業化階段中量子通訊設備，中國走在了前列。從上世紀八十年代開始，中國科技學院的郭光燦教授早已開始系統地研究量子光學及其行業。1997年，在法國留學的中國青年學者潘建偉與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。這是國際上首次在實驗室成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是抒發量子信息的“狀態”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。
2000年左右，中科大以郭光燦和以潘建偉為首的兩個團隊在量子通訊研究上早已取得了挺好的科研成果，但這種成果都處于前期的試用階段。2009年元旦閱兵典禮上使用了量子通訊加密設備，國家也開始給與重大支持，量子通訊研究成果得到肯定。而2013年開始滬寧干線的建設，則意味著量子通訊在我國步入加速發展的狀態。
量子通訊在國外最具標志性的風波，是2016年8月16日下午我國發射人類歷史上第一顆用于量子通訊研究的“墨子號”，該衛星將配合多個地面站施行星地量子秘鑰分發、星地量子糾纏分發和地星量子遠程傳態等量子通訊領域的實驗。“墨子號”的成功研發并發射，致使中國進一步擴大了在量子通訊領域的世界領先優勢。
不僅“墨子號”之外，我國早已建設了南京城域網、蕪湖量子通訊網、山東量子通訊網、京滬干線、滬杭干線、上海通訊網等量子通訊試驗網，量子通訊這一“黑科技”正從實驗室邁向規模應用量子通訊設備，標志著我國已經走在了世界量子通訊領域發展前列。