随着现今世界信息技术的迅猛发展，以微电子技术为基础的信息技术正式达到数学极限，而以量子效应为基础的量子通讯，则正在逐渐成为推动未来科技发展的重要领域，正式开启一次新的技术革命。量子通讯是一种借助量子力学基本原理、量子系统特有属性以及量子检测方式来实现信息传递的通讯技术。目前量子通讯主要涉及：量子密码通讯、量子远程传态和量子密集编码等技术。最近这门学科已逐渐从理论迈向实验，并向实用化不断发展。因为高效率和绝对安全等特性，量子通讯已成为国际上量子化学和信息科学的研究热点。
奇妙的量子现象
众所周知，人类的科技革命都得益于对客观世界认知的进步量子通讯的原理，如第二次科技革命就是基于19世纪初电磁学领域的一系列重要发觉。同样，量子通讯技术的快速发展正是基于20世纪诸多科学家对量子领域的不断开拓。对量子通讯来说最重要的两个理论基础便是不确定性原理和不可克隆原理。
在微观领域中，个别数学量的变化是以最小的基本单位跳跃式进行的，并不是连续的，这个最小的基本单位称作量子，如原子、电子、光子等。一个世纪以来，人类对量子的研究已然渐渐产生了一门重要的学科——量子热学。
1927年日本知名科学家海森伯提出了量子热学的不确定性原理，它表明：一个量子的个别化学量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。检测一对共轭量的偏差（标准差）的乘积必然小于常数h/2π（h是普朗克常数）。它反映了微观粒子运动的基本规律。
而量子的不可克隆则是另一条量子热学的基本原理：量子被觉得是不可复制的。假如一枚旋转着的硬币是量子世界中一个物体，一旦你要复制它，势必要对它进行检测，这些外来的行为都会改变它的运动状态。也就是说，任意量子的状态，在遭到复制或检测时，就会发生变化。换个角度说，量子一旦被检测过，就不再是原先的那种量子了。
原子
分子
光子
以上是化学量的基本单元
在量子热学中存在着另一重要的独特现象——纠缠效应。在量子化学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化能够立刻影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和影响对方的状态，这就是量子纠缠现象。
虽然爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，但却不乐意接受它，并斥之为“幽灵般的超距作用”。他觉得宇宙的组成部份是互相独立的，它们之间的互相作用遭到了时空的限制，是定域性的。因此，爱因斯坦与另一位科学巨人玻尔，在量子热学的化学演绎以及相与俱来的科学哲学问题上展开了激烈对决，史称“关于化学学灵魂的论争”。以玻尔为代表的赫尔辛基学派觉得任何两个物质之间，不管距离多远，都有可能互相影响，不受四维时空的约束，是非定域的，宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。这场深刻的科学和哲学问题争辩仍然持续了好多年，成为了科学发展史上的一个重大风波。
为支持玻尔的理论，化学学家贝尔在1964年提出了知名的贝尔不方程，以论证量子化学必须遵守定域性原理。近年来，贝尔不方程已通过了各类各样的实验验证，实验所得到的结果符合量子热学理论的预测，但是显示个别量子效应似乎还能以超光速行进。主流量子力学教科书也已将贝尔定律视为基础数学定律。在1982年，英国化学学家阿斯佩（A.）和他的小组成功地完成了一项实验，否认了微观粒子“量子纠缠”的现象确实存在。
不可破译的量子秘钥
随着信息技术的持续、快速发展，人们早已越来越多地依赖通讯网路进行工作和生活，大量敏感信息须要通过通讯网路传播，人们须要对自己的信息进行保护以免被泄露或篡改，密码学为人们提供了这种的保证。但是当前普遍使用的以物理为基础的密码体制一直存在着被破译的风险。随着密码学的发展，科学家们提出了量子密码的概念，并把它成功地应用于通讯系统中。与往年的密码体制不同，量子密码以量子热学中的不确定性原理和不可克隆原理为基础，用量子状态来作为信息加密和揭秘的秘钥——量子秘钥。量子通讯过程中假如存在监听或则对信息的复制，就是一种检测行为。通过这两个量子热学的基本原理可知，监听者永远没法测得量子体系的全部信息并获得复制品，也难以掩藏监听行为的存在。因而从理论上讲，量子通讯是绝对安全的。
爱因斯坦与玻尔关于“物理学灵魂”的论争玻尔所代表的赫尔辛基学派觉得世界任何物质的存在都是一种机率，例如一个量子可以以一定几率处于任何状态，对其检测造成了机率的塌缩。检测如同掷色子一样，检测的结果哪些可能都有，但又有一定几率。爱因斯坦所代表的精典学派则觉得，我们的世界是一种客观存在，是确定的，并不应当是一种机率，他觉得“上帝是不会掷色子的”。从某种意义上来说这张图抒发了两种思想的矛盾。
在以量子纠缠效应为基础的量子通讯中，科学家们巧妙地借助了量子纠缠现象实现了秘钥的制做，即通讯双方密码本的制备。在即将通讯前，通讯双方事先储备了大量的纠缠粒子对。当通讯一方对自己那边的纠缠粒子进行一定操作时，通讯另一端处于纠缠状态的粒子都会有相应的反应，通信双方便可以借助这些“感知”，构建起默契，制做出通讯所需的秘钥。
另一种形成量子秘钥的方式，则是被叫做BB84的方案。两位科学家贝内特（C.H.）和布拉萨德（G.）在威斯纳（S.）的电子美钞启发下，于1984年提出了这个量子密码分配合同，后来被命名为BB84方案。该分配方案借助单个光子来携带一个比特的信息，按照量子的不可分割性，这一个比特的信息也是不可分的，也就难以用分流讯号的办法来监听。而光子的多个化学量都可以拿来携带这一个比特的信息，比如光子的偏振光态。每位光子都有一个偏振光方向，且光子的线偏振光和圆偏振光又不可同时检测，这样便可以有效地借助不确定性及不可克隆原理来实现秘钥分配。
BB84方案为两个遥远的用户之间构建无条件安全的量子秘钥提供了一个强有力的途径。但是在实际应用中，理想的单个光子仍未实用化。现今量子秘钥分配方案中常见的光源为激光光源，其量子态为相干态——多个光子具有相同的量子态。假如采用富含多光子的光源进行秘钥分发，将会存在安全性隐患。监听者可以采用光子数分离功击的方式来恐吓密码的安全性。监听者可以对通讯一方发射的光子数进行检测，假如光子数等于1，则吸收该光子；假如光子数小于1，监听者则从中分离一个光子给自己，再将剩余的光子发射给通讯接收一方，因而实现监听。引诱态量子密码方案，则是用于抵抗这些分束功击的有效方式。其基本原理是发送方随机地使用两个波长、线宽等化学常数都相同，只有硬度不同的弱相干态光源。其中一个称为讯号态，用于量子秘钥分配，另一个称为引诱态，用于侦测监听者的存在，因为两个态的比列是确定的，一旦有人进行光子数分离攻击，两个态的比列都会发生变化，因而发觉被监听。这些技巧在量子通讯的同时，实现了对通讯信道安全的实时监控，因而保证了安全。
量子通讯的实现历程
量子通讯可有效对抗监听行为
通过BB84方案或是量子纠缠效应，通讯双方就可以获得用于对通讯信息进行加密的秘钥。因为环境噪音和监听者的存在，量子通讯还须要量子传输、数据筛选、数据纠错、保密提高四个过程。
一般一个典型的量子通讯系统的实现可以大致这样描述：发送者制备须要传递的明文，使用通过量子秘钥分配（或则其他的方式）获得的秘钥加密明文，获得编码后的密文。密文经通讯介质发送给接收者。接收者通过侦测接收到密文后，借助此前获得的秘钥进行揭秘，得到明文，最后解码获得相关信息。依此便可实现量子通讯。
可以借助量子纠缠形成通讯秘钥
为了让量子通讯从理论走到现实，从２0世纪末开始，国外眼科学家做了大量的研究工作。自1993年日本IBM公司的研究人员提出量子通讯理论以来，韩国国家科学基金会和国防中级研究计划署都对此项目进行了深入的研究；欧共体在1999年开始集中国际力量旨在于量子通讯的研究，研究项目已多达12个；台湾邮政省更是把量子通讯作为21世纪的战略项目；我国从1980年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科技学院的量子研究小组在量子通讯方面也已取得了突出的成绩。
2002年10月5日，美国苏黎世学院和美国美军下属的研究机构合作，在美国和加拿大边境相距23.4公里的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光成功传输了光子秘钥。
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，彻底解决了真实系统和现有技术条件下量子通讯的安全速度随距离降低而严重下滑的问题。
2004年6月3日，新加坡BBN技术公司构建了6节点量子密码通讯网路。
2006年夏,中国科技学院量子研究小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲苏黎世学院-维也纳学院联合研究小组各自独立实现了引诱态方案，同时实现了超过100公里的引诱态量子秘钥分发实验，由此打开了量子通讯迈向应用的房门。
2008年年末，我国成功研发了基于引诱态的光纤量子通讯原型系统，在扬州成功成立了世界上首个3节点支链光量子电话网，成为国际上报导的绝对安全的实用化量子通讯网路实验研究的两个团队之一。
2009年9月，我国又在3节点支链光量子电话网的基础上，建成了世界上首个全通型量子通讯网路，首次实现了实时语音量子保密通讯。这一成果在同类产品中高踞国际先进水平，标志着中国在城域量子网路关键技术方面早已达到了产业化要求。
2010年9月，中国科技学院、中科院武汉技术化学研究所、中科院光电研究所等量子通讯研究团队强强合作，在西藏河畔实现了世界上首次浮空平台和卫星运动模拟的量子秘钥分配实验，这也标志我国已突破了构建星地量子通讯的关键技术，为将来实现全球量子通讯网路打下了坚实的基础。
星地量子通讯的“中国梦”
目前，量子通讯系统的应用研究基于传输介质的不同主要有两种，即光纤和自由空间的量子通讯。
以光纤为依托，融激光技术、光纤技术、计算机技术、通信技术、网络技术等为一体的，以交互方法传递信息数据的“信息高速道路”已经广泛使用，相关技术早已比较成熟，这种都为进行基于光纤的量子通讯提供了有利条件。现在光纤量子通讯的研究成果早已接近于实际应用，可以预见在近来几年内光纤量子通讯系统就才能应用于实际的保密通讯中。并且因为月球曲率的影响和光纤耗损的降低，在地面施行远距离量子通讯很困难，如光纤中的光子衰减问题，致使纠缠态的两点之宽度离最多只有100公里。而光子在自由空间中传输可大大突破这些传输距离限制，因而星地量子通讯成为一种更好的选择。
星地自由空间的量子通讯
要在广袤的宇宙中实现卫星与地面之间的量子通讯，首先要通过一个捕获、跟踪、瞄准（and,ATP）系统构建起量子秘钥分配所需的通讯信道。而为星地激光通讯发展上去的光学定位、探测和跟踪等技术因此提供了技术上的支持。秘钥分配的通讯链路完善以后，通讯系统借助单光子偏振光态加载信息，按照相应的量子秘钥分配合同，便可在通讯两端形成绝对安全、无法监听的共享秘钥。明文借此秘钥加载，就可以通过精典信道进行传输，进而实现星地间的量子通讯。通过卫星这个载体，不但才能实现星地的量子通讯，并且还能实现全球任意点对点的量子通讯。
为应对自由空间量子通讯领域内激烈的国际竞争，中国科大学于2008年启动了知识创新工程重大项目——空间尺度量子实验关键技术研究与验证试验。在随后的5年时间里，整个科研团队在潘建伟教授领导下，经过不懈努力，早已取得了多项重要进展。如：成功研发了星载量子通讯所需的ATP系统样机，提出了完整的星地量子通讯系统方案，攻破了星地量子通讯的核心关键技术，并在美丽的西藏河畔顺利完成了世界上首次浮空平台量子秘钥分发试验、百公里单向量子纠缠分发试验、百公里量子隐型传态试验等。在项目执行期间，研究团队共发表论文几十篇，其中多篇论文发布在《自然》周刊或其子刊、《美国科大学院刊》、《物理评论快报》等国际性学术期刊上。更为重要的是该项目为我国在空间量子通讯领域培养了一支优秀并且年青的队伍，为我国在该领域内的长远发展和保持国际领先地位奠定了坚实基础。
综观世界，如今已有多个国家举办了将量子通讯应用于卫星平台的计划，我们国家对此也是雄心勃勃，中国科大学捉住机遇，开始施行量子科学卫星计划。目前计划在2016年左右，以我们国家为主导发射一颗量子科学实验卫星，就能实现从上海到山西，乃至国际上其他站点之间的量子通讯网路。这也是中国科大学空间科学战略性先导科技专项中首批确定的五颗科学实验卫星之一，该项目就能提供一个卫星与地面间远距离量子科学实验的平台量子通讯的原理，并在此平台上完成空间大尺度量子科学实验。
回顾我国科研工作者在量子通讯领域内的多年付出，可以惊讶地看见中国正在该领域渐次崛起。正如《自然》周刊的评论：“中国在量子通讯领域内，已从六年前不起眼的国家发展为现今的世界劲旅，并将领先于亚洲和北美。”因为历史上的种种缘由，中国早已错失了前四次科技革命带来的机遇，在第五次科技革命中，中国也只是一个跟踪者，并且是一个没有取得优良成绩的跟踪者。面对将要到来的新改革，我辈自当奋发图强，捉住机遇实现宏伟的“中国梦”，在历史上写下属于自己的华丽篇章，真正实现跨越式的发展，让光子舞动于空旷的宇宙空间。