量子通信是传统的激光通信吗？

发布时间：2018年10月16日

2016年8月16日，中国发射了世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”，也点燃了群众对量子科技的兴趣。一些人认为，“量子通信卫星就是传统的激光通信卫星”。但其实量子通信卫星和激光通信卫星完全不是一回事。

墨子号有三大科学任务：量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。其中一般被媒体称为“量子通信”的，是“量子密钥分发”这个任务。它是一种保密的方法，也被称为量子保密通信。

所谓密钥，就是《红灯记》、《潜伏》、《春天的十七个瞬间》等谍战片中的密码本，发送方用它加密，接收方用它解密。

密钥分发，就是让通信双方获得同一套密码本。传统上，这是李玉和、余则成等情报人员干的事。显然这是个风险很大的任务，信使被抓或者叛变，就会造成惨重的损失。

而量子密钥分发，就是不通过信使，利用量子力学的特性，让通信双方直接分享密钥。简单地说，就是李玉和可以光荣下岗了！

这样一解释，你肯定就会明白，这是一种全新的能力，完全不是传统方法能够做到的。

量子密钥分发的基本过程是，通信方发出一系列单个光子，接收方测量这些光子的状态，最终双方各自获得了一个由随机的0和1组成的数列（例如0110010011……），而且不用看对方的数据，就能保证对方的数列跟自己的完全相同。这个数列，就是量子密钥。

你也许会问，既然量子力学能让双方分享信息，那何不直接分享要传输的信息？回答是，这套流程产生的只能是随机数。你想让它传输一段特定的信息，例如111111，对不起，它传不了。

随机数序列本身不能传输信息，但作为密钥，却正合适不过！为什么呢？因为用这样的一串随机数密钥加密以后，密文在数学意义上是绝对不可破译的。这是信息论的创始人克劳德·香农（Claude E. Shannon）证明的一个定理。

原因其实很简单，这样加密得到的任何的密文都以同样的概率对应同样长度的任何的明文，也就是说，密文和明文之间完全没有关联。好比你对一群人问：“谁是李向阳？”所有人都回答：“我就是李向阳！”所以你除了瞎猜之外，什么都得不到。即使你有无限的计算能力，也毫无用武之地，因为这压根不是个可以破解的数学问题。而许多传统的密码术，就是可以被数学破解的，这是量子密码优于它们的地方。

因此，用量子密钥给明文加密后，就可以放心大胆地用任意的通信方式来传输密文了。这一步就是传统的通信，可以用光纤，可以用电话，可以用电子邮件，甚至用平信——什么都行。

总而言之，量子保密通信的全过程包括两步，第一步是量子密钥分发，第二步是传输密文。所有的特别之处，都在第一步上。所以对量子保密通信的研究，就是对量子密钥分发的研究。

墨子号具体做到的，是星地之间的量子密钥分发，即让卫星和地面站同时获得密钥。

有了以上的背景知识，你就可以看明白像这样的报道了：

“墨子号量子卫星过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300 kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1 kbps。”

所以说，量子通信卫星和传统的激光通信卫星完全不是一回事！传统的激光通信是用激光本身来传信息，而量子通信卫星是用激光来产生密钥，然后密文再用其他方式传输。在科学意义和技术难度上，显然是量子通信大得多。

本文转载自科普中国

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