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06-17
几年前，如果我们在广东，想给北京的家人家寄一封信，往返可能需要一年半的时间。
几年前，我们可以发送一封电报，这需要几天的时间，并且按每个字符收费。
10年前，我们可以打电话，只需要几秒钟就可以接通。
现在，我们可以直接进行视频通话，延迟可以控制在毫秒级。
▲ 5G进一步降低通信延迟。
图片来自：苹果官网 信息传输的载体逐渐从人力发展到无线电波、电话线和光纤。
信息滞后越来越小，但光速最高可达8m/s。
如果距离足够远的话，还是会有明显的延迟。
有没有更快的方式来传播信息？理论上来说，这就是量子通信。
但目前的技术表明很难实现，因此科学家将目光投向了“量子加密”。
中国科学技术大学1月7日宣布，我国科研团队成功实现星地公里级量子密钥分发，标志着我国建成了“天地一体化宽域量子密钥分发”雏形。
区域量子通信网络。
”该成果已在英国《自然》杂志上发表。
什么是量子？理论上的量子通信是利用量子的几个神秘特性来实现的：量子纠缠不可分割、不可克隆理论证明，即使两个纠缠的量子相隔一个宇宙距离，其中一个量子会发生变化，另一个量子也会发生变化。
变化。
也会同步改变，打破“光速牢笼”，实现真正的实时通讯。
请注意，我们在量子通信之前添加了一个定语，称为“理论上”。
这是因为量子通信还存在需要克服的困难，很多人认为量子通信是不可能实现的。
“域量子通信网络”，其实原理就是利用量子不可分割、不可克隆的特性来提高通信的保密性。
这并不是真正意义上完美的量子通信。
如何实现公里传输距离？论文显示，“天地一体化广域量子通信网”主要由三部分组成。
“墨子号”量子卫星，拥有700多条光纤量子密钥分配链路和两个地面实验站 ▲天地一体化广域量子通信网络。
图片来自：北京、济南、合肥中国科学技术大学通信网上海、上海分别部署了4个关键队列管理器，通过1公里以上的主干光纤链路连接连接兴隆和南山的两条“星地链路（相距公里）”。
工作时，“墨子”卫星在高度约10公里的太阳同步轨道运行，与兴隆、南山地面站连接，进行量子密钥分发。
最后，通过高效的BB84协议后处理程序提取最终的安全密钥。
（BB84协议是世界上第一个量子密码协议，是量子物理学家Charles Bennett和Gil Brassard于2007年联合开发的量子密钥分发方案）▲量子通信卫星和地面站实验示意图。
图片来自：中国科学技术大学 目前，研究人员每周可以获得大约 36Mbit 的总密钥大小，“墨子”生成的密钥可以支持大约 10 个用户。
这次尝试有哪些困难？量子实在是太小了。
一次呼吸、灯泡发出的光或一个简单的运动都可以驱动数十亿个量子，而单个量子存在不确定性。
想要完全“控制”量子，并不是那么容易的事。
因此，星地公里级量子密钥分发存在诸多技术难点。
1、单光子制备 发表《天地一体化广域量子通信网络》论文的潘建伟院士表示，一个15瓦的灯泡每秒可辐射高达十万亿个光量子。
如果想要实现单个光量子的准备，就像在发射的那一刻捕获数十万亿个光量子中的一个一样。
▲ 电影《蚁人》用艺术手法展现微观世界的场景。
图片来自：《蚁人》2。
单光子的检测单个光子已经是光能的最小单位，而且能量非常微弱。
有必要开发一种非常精确、高效的单光子探测技术。
只有具备制备和检测单光量子的能力，才能实现安全的量子通信。
▲ 2019年11月26日拍摄“墨子号”量子科学实验卫星与兴隆量子通信地面站建立空地链路。
图片来自：中国科学技术大学 3.星地通信就像万米高空从天上掉硬币“墨子”卫星常务副总设计师王建宇举了个例子，“从千米高空将光子一一发射到地面站，就像在万米高空高速飞行的飞机上同时将两个旋转的投币口发射到地面一样。
将硬币扔进长形存钱罐。
存钱罐的硬币槽是细长的，相当于光的偏振。
它有一个方向。
硬币必须朝正确的方向扔，而且不仅仅是一侧，而是两侧。
” 4、地面探测远比千里眼困难。
根据计算，划火柴时大约有一个光子，卫星地面站的探测能力相当于地球上的人探测月球上的人另外，每秒一亿个光子中，我们需要找出地面上检测到的哪个光子，当检测到一个时，我们需要知道是哪个光子。
说明我们可以用它来做密钥。
注：上述技术难点的来源是央视新闻。
就保密性而言，有人可能会有疑问，还是依靠卫星和光学。
光纤传输和量子通信有什么关系呢？当我们使用手机发送微信消息时，所有信息都必须经过算法加密后才能传输，否则信息很容易被截取和查看。
但所有加密算法理论上都可以破解，仍然存在信息泄露的风险。
例如，对于商业秘密、军事信息等，为了保证更高的安全性，加密算法比一般信息的传输更加复杂。
▲ RSA加解密过程图解。
图片来自：百度百科 有万无一失的加密方法吗？科学家的想法是可以使用量子密钥对信息进行加密。
量子密钥分发利用“单量子不可克隆定理”实现密钥分发的绝对安全。
“不可克隆定理”意味着不可能对任何未知的量子态进行精确复制，因为复制的前提是测量，而测量一般会改变量子态的状态。
▲ 量子纠缠示意图，两个纠缠的量子，如果一个量子的状态改变，另一个量子的状态也会同时改变。
图片来自：ScienceNews 中国科学技术大学表示，由于单光子作为信息载体，量子密钥是不可分割的。
量子态无法被克隆，从而确保使用它们加密的内容无法被破译。
量子密钥分发是唯一被严格证明原则上无条件安全的通信方法。
用一个不准确的比喻来说，量子密钥加密的信息就像一个特殊的信封。
只要拦截信封的人想要打开它，里面的信件就会自动消失，使得拦截行为变得毫无意义。
此次《自然》杂志发表的文章《实现跨越千米的天地一体化广域量子通信网络》，通俗地讲，可以理解为在传统通信方式中加入了量子密钥。
据悉，量子保密通信技术为纪念抗战胜利70周年阅兵、十九大等国家重要会议和活动提供了信息安全。
此外，量子保密通信技术还应用于银行监管信息报送、人民币跨境支付信息管理系统、网银数据异地容灾系统等。
量子通信的未来▲ 图片来自：ScienceNews 2017年，美国网络安全技术提供商赛门铁克透露，一个名为“Strider”的黑客组织在过去五年中对中国、俄罗斯等国家进行了网络攻击。
该黑客组织拥有先进的技术手段，赛门铁克怀疑该组织得到了具有国家背景的团队的支持。
事实上，这只是黑客攻击的冰山一角。
攻击每时每刻都在发生，而且很难预防。
正是在这样的背景下，“天地一体化广域量子通信网”和千米长的量子保密通信干线诞生，成为信息安全的“长城”。
很多人看到了量子通信网络所发挥的巨大作用，或许不禁会问：目前以光纤为骨干的通信网络会很快被取代吗？潘建伟院士在接受《科技日报》采访时表示，量子加密通信并不是要颠覆或取代现有的通信方式，而是可以极大地提高现有系统的安全性。
看来真正的量子通信还有很长的路要走。
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