近一三年里，随着有关量子科技的报导越来越多地出现在眼前，我们也许再也不能仅仅逗留在“遇事不决，量子热学”的认知水平了。
我们晓得，量子科技主要包括量子估算和量子通讯两大技术领域。与处在起步阶段的量子估算不同，量子通讯技术已经完成了理论的验证，早已步入快速产业化应用的阶段。
近来，我国在量子通讯领域又取得了一些关键进展。1月初，中国科技学院宣布成功实现跨越4600公里的星地量子秘钥分发，这标志着我们基本建立起天地一体化广域量子通讯网，也证明了广域量子保密通讯技术初步具备大规模应用的成熟条件。
紧接着，上海学院的研究团队成功通过两架无人机空中编组，首次使用光学中继，在两个相距1千米的地面站之间实现纠缠光子分发，实现多节点联通量子组网。实验的成功意味着我们在量子通讯网路上有了更多样的应用场景选择。
（以无人机为联通节点的光中继纠缠分布实验示意）
其实，无论是广域量子通讯网的建成，还是联通量子网路的成功实验，对于好多人而言，只会不明觉厉。为此，假如想厘清楚以上这种量子通讯技术究竟有何“含金量”，又对我国的量子通讯产业有着如何的影响，依旧值得我们去做一番细致评析。不过，在回答这两个问题之前，首先须要先对“量子通讯”本身做一下简单介绍。
量子通讯：将信息加密进行究竟
信息通讯技术在明天的重要性早已毋庸置疑。5G，作为新一代联通通讯技术，正在广泛应用在我们的日常生活中，相比之下，量子通讯还是一个特别时尚但又让普通人不明所以的存在。
量子通讯究竟是如何回事，对我们大众的生活有什么影响呢？
简单来说，量子通讯属于量子信息科学的一大分支。量子信息科学，顾名思义是由量子热学和信息科学组成的交叉学科。根据信息科学中“计算”和“通信”两大主题，量子信息科学的研究也分为“量子估算”和“量子通讯”。量子通讯就是借助量子力学特点进行信息传递的新型通讯方法。
第一个问题，信息通讯技术为何须要跟量子热学“纠缠”在一起呢？
对于信息通讯，非常是远距离信息通讯来说，仍然要解决的两大困局。
第一大困局是信息传输的效率，包括传输率和确切率，这种由一系列不断变迁的技术来保证，从最初的烽火台、到旗语，再到电报的摩尔斯电码、有线电话、光缆通讯、移动网路等等。这部份我们都很熟悉，不再赘言。
第二个困局就是信息传输的安全性，也就是信息加密通讯的问题。信息加密通讯的重要性，普通人可能没有切身体会。第二次世界大战期间，正是因为日本政府破解了美军使用的一种堪称难以破译的恩尼格码密码机，因而大大扭转了二战亚洲战场的战局，加速了英国的灭亡。现在，加密通信更是成为了互联网、金融、军事等几乎所有须要信息通讯的场景的基石。
在量子通讯出现曾经，传统的加密通讯只有两种形式：
一种信息加密方法是“对称密码机制”。传输双方把握同一套秘钥，传输方用秘钥将明文转换成密文，接收方用它将密文变换回原文。双方共享的这一套秘钥或则说密码本，假如第三方不把握密码本，理论上基本永远没法破译这套加密信息。并且秘钥会须要一个信使来进行传递，在抗日时期，地下工作者的一个工作就是充当信使来传递密码本的。这儿会出现两个安全问题，一个就是信使倒戈，一个是密码本被查获，只要第三方把握了密码本，这么加密信息就等于是“明文”信息了。
为了克服这些问题，物理家发明了第二种信息加密形式——“非对称密码机制”，或则说“公钥密码机制”。只有接收方手里有一套“加密锁”（私钥）和“解密锁匙”（公钥），接收方可以把打开的“加密锁”公布下来，任何人，包括发送方都可以公开获取。发送方只须要把信息用“加密锁”锁上去发送给接收方，接收方再用自己的“解密锁匙”打开“加密锁”，才能获得信息。
“加密锁”，实际上只是一道“因数分解”的物理题，是由三位名子首字母为R、S、A的物理家发明的私钥密码机制，如今也是世界上最常用的密码体系。这套密码机制的优势在于，制造密码很简单，破解密码很困难。第三方窃密者想要破解一个私钥密码，用全世界最快的计算机去估算，少则须要数万年，多则几十亿年。这就让破解密码成为一个事实上不可能的事情。
然而在理论上，只要估算速率够快，RSA密码被破解就是分分钟的事情了，而刚好量子计算机可以通过量子比特的特点将破解质数分解的速率提高多个数目级，就能轻易打破质数分解设置的估算困局。例如，分解一个300位和5000位的质数，量子算法可以将原先须要的15万年降低到不足一秒，从原先的50亿年降低到2分钟。尽管如今量子计算机还处在中级阶段，只能处理六位数的质数分解，并且随着量子估算研究的升级，传统私钥密码系统将迟早被淘汰。
由于量子估算的出现，传统加密通讯弄成“小透明”，然而量子保密通讯技术（也叫量子秘钥分发）的出现，再一次让“完美加密”得以实现。为此，量子保密通讯成为当前量子通讯技术的主要应用，也是当前可以迈向产业落地的应用。
你看，“上帝关上一扇门，也会给你打开另一扇门”，并且打开的门还比关上的门要早一步开启。
所谓量子保密通讯，就是一种借助量子的偏振光特点来完成信息加密的一种激光通讯。这么，量子保密通讯具体是怎样实现的呢？
（量子偏振光的叠加原理）
我们晓得量子热学的特点有三点：叠加、测量和纠缠。
简单来说，“叠加”保证了一个量子比特在偏振光中可以有无限个状态，而非数字比特只有0和1两个状态。叠加原理既能拿来做量子估算，也能拿来做量子加密。“测量”保证了量子的真正随机性（），量子热学的“测量”让“眼见为实”失去意义，每一次检测就会形成随机的结果，但是检测本身也会改变结果，用在加密上就降低了传输错误率，因而一旦有第三方“窃听”，通讯双方能够立即发觉。
“纠缠”就更厉害了，量子纠缠可以实现多个粒子的超远距离的通讯同步，不过对于量子加密来说，就有点像“火箭送快件”一样大材小用。为此，如今量子通讯，只要充分借助量子叠加和检测的手段，单个粒子能够形成相同的随机数，完成“量子秘钥分发”（key，QKD）。
最初的单粒子加密合同是由本内特（）和波拉萨德（）在1984年提出的，因而也被称为“BB84合同”，而当前最先进的引诱态合同可以看作是8848合同的改进版。
具体的量子加密的形式不再赘言，我们可以直接和传统加密的疗效做下对比：
传统对称密码机制可以做到：（1）密文被查获但不会被破译；（2）仅靠估算难以破解，而传统非对称密码机制，可以做到；（3）无需传递秘钥的信使；（4）在每次使用前直接形成秘钥，平常不须要保存秘钥，但须要依赖物理估算的复杂性做到“密文的不可破译”。因而，这两种方式都难以做到“完美加密”。
而量子保密通讯除了能同时做到以上四点，具备了估算意义上的“完美加密”性量子通讯 优点，但是由于量子的不可克隆性，在量子秘钥分发过程中，量子讯号一旦受到监听，通讯双方立即能够发觉，因而及时中止通讯或更换信道通讯，甚至还可以借助一些光学技术，确定监听者的位置。这一点是传统加密技术根本难以做到的。为此，量子加密通讯又被称为（估算上）“绝对安全”的加密技术。
其实，以上只是从理论上证明了量子秘钥分发的可用性，但量子秘钥分发在一开始，可以实现的通讯距离十分短，根本难以实现真正的产业化应用。为此，想要让量子通讯走入现实世界，就必须建造出可以进行远距离传输的量子通讯系统。
从30分米到4600公里，
从单线联接到“天地空一体”
1988年，IBM实验室首次实现了现实意义的量子保密通讯。当时，研究者通过上下偏振光和左右偏振光呈现的量子态来分别代表两套测试方式，最终促使两台计算机在30分米距离的线路联接下实现了量子通讯，证明了量子保密通讯的可行性，而随后怎么降低量子通讯距离，就成为量子保密通讯最主要的任务。
1995年，西班牙日内瓦学院首次做到了距离23公里的量子保密通讯。2002年，新加坡BBN公司、哈佛学院和波士顿学院开始联合建造DARPA网路，并在2009年完成了城域量子保密通讯实验网路的建设。
2003年，美国、中国、加拿大等国学者提出了引诱态量子密码理论方案，在现有技术条件和真实系统的状况下，急剧增强了量子通讯的安全传输距离。中科大潘建伟团队在2010年时侯可以做到16公里的量子通讯，到2012年成功推动到百公里级别，并首次证明了卫星与地面站间进行量子通讯的可行性。
2016年8月，中国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，该卫星既实现了上千公里的星地高速量子秘钥分发，又实现了远距离地星量子隐型传态，因而将极大促进量子通讯的实用化。2016年末，全球首列量子保密通讯骨干线——“京沪干线”贯通，通过量子中继站，建立起联接天津、上海，贯串西安和兰州全长2000余公里的量子通讯骨干网路。也就是通过墨子号和沪宁干线联接，建成这条“跨越4600公里的天地一体化量子通讯网路”。
（《》论文图：天地一体化量子通讯网路示意图）
墨子号和地面的量子保密通讯是通过真空和大气层传递，光讯号传输基本不会衰减，因而可以实现超远距离的自由空间信道传输。而沪宁干线采用光纤QKD链路传输，虽然不受外界环境影响，然而光讯号衰减严重，致使必须使用可信中继方案进行城域、城际的传输。
理解了这两种方法的优劣点，我们也就才能理解上海学院团队提出的“以无人机为光学中继”的形式进行量子秘钥分发，所具有“即搭即用、灵活机动”的特征，刚好可以实现和光纤地基和卫星天基量子链路的功能互补。
未来，基于高低空无人机所搭建的联通量子链路可以奔向“低空大型化”和“高空远距离”两个方向发展，最终目标是可以构建多节点联接的自由空间的量子链路网路。
经过30多年的演化发展，从分米级别到数千公里级别、从单线联接到城域、城际网路，再到天地一体量子通讯网路，量子通讯早已开始步入产业化应用的阶段当中。
暂时领先，道阻且长
说到这儿，你们可能都十分关心一个问题，那就是在全球量子通讯产业大赛中，中国处在一个如何的位置？这一次我们可以不客气地说，中国的量子通讯暂时取得了领先。
首先，和英国、欧盟量子通讯网路的实力对比，我国广域量子通讯网路已具有急剧领先优势。
今年，欧共体发布的《量子旗舰计划战略研究议题》中提及：“未来3年愿景是借助QKD合同和具有可信中继节点的网路实现全球范围的安全秘钥分发，6-10年愿景是使用量子中继器在光纤上实现800公里以上的量子通讯。”而英国今年发布的《量子网路战略愿景》中提出：“未来5年，日本将展示量子网路的基础科学和关键技术，从量子互连、量子中继器、量子储存器到骁龙量量子信道，以及洲际天基纠缠分发。”
从这两家的量子战略时间表来比较，我们领先欧共体3至5年，领先韩国则有5至8年。
其次，从量子通讯领域的专利数、申请专利的机构以及量子秘钥分发网路国际标准的制订来看，中国企业同样抢占领先优势。例如，在量子通讯技术专利数排行世界前十的机构中，有7家都是中国的。
另外，现今中国量子通讯产业化规模正在加速下降。按照数据，2017年中国量子通讯行业市场规模达到180万元，到2023年将达到805万元。量子通讯技术正在金融、政务、国防、电子信息等领域广泛应用。
虽然当前取得暂时的领先，而且我们也仍然要清醒地认识到量子通讯领域的竞争才刚才开始。根据的技术成熟度曲线，量子通讯产业一直处在商业化初期阶段。接出来，我们要继续完成量子通讯网路的建设，也要在量子通讯产品的标准化、小型化方向加大投入，因而丰富量子通讯的应用场景。
而在未来，我们的目标是基于远距离、可扩充、大规模的量子通讯网路，将分布在各地的量子信息处理器互联，率先建成可以承载量子信息的“量子互联网”。而同样，量子互联网也是欧日本家量子战略的最终目标。
可以预见，在接出来很长一段时间量子通讯 优点，我国和欧共体、美国展开一场不亚于现在半导体产业激烈互博的技术大赛。假如我们想要继续在量子通讯领域保持优势，则一直要在量子信息领域的标准化制订、基础理论研究，以及从产品开发到应用推广的产业化方面，都必须保持足够的投入和创新。
从根本上来说，量子科技人才匮乏一直是制约量子科技发展和竞争力提高的重要诱因。为此，无论量子信息科学看上去多么高深，学上去多么生硬，而且在未来一定将会成为一门大众必学选修的一门基础课程。只有这样，大批的量子信息专业人才也能够涌现。
最终，希望这篇文章才能成为引导读者关注量子信息科学和量子通讯产业的一个抓手。
参考资料：
1.袁岚峰：《万字长文！你完全可以理解量子信息》
2.吴军：《科技史纲60讲》
3.紫金山科技：《量子通讯：一场不见烽烟的国际对决》