量子通信技术到底是什么样的高科技呢？它又高在哪里呢？其实，量子通信要解决的是通信安全问题。

在第二次世界大战期间，盟军能够打败纳粹德国的一个极为重要的原因就是，英国的情报部门窃听并且破译了德军的电报。为了通信安全，人们想出了各种各样的加密方法，可惜的是，道高一尺魔高一丈，再厉害的加密算法，总有更聪明的人能想到破译的方法。

于是，科学家们就在想，能不能从源头解决问题，也就是彻底杜绝窃听呢？

早期的电报机、今天的手机、有线电话、对讲机，它们其实都是利用电磁波进行通信。当我和你通过电磁波通信时，第三方接收者（窃听者）可以神不知鬼不觉地存在，并不会影响我和你之间的通话。

哪怕是有线电话，也无法防止被窃听。因为电磁波虽然被约束在了电线中，但窃听者只需要在电线上接一个分支出来就能偷听了。

所有的传统通信之所以会被窃听，关键的原因在于通信过程中，信息被复制了无数份。一束电磁波中，包含了万万亿亿个光子，每一个光子都携带着一份信息。

比如，现在我要你传送一句话：是金子总会发光的。

用电磁波通信的过程，就是你叫来一亿个快递员，让每一个快递员都从你这里取一个“是”字，送出去。然后又叫来一亿个快递员，每个人取一个“金”字送出去，就这么每次一叫就叫一亿个快递员。那么，窃听者在半路上拦截了几个快递员，抢走了物品，在这个过程中，发送方和接收方都是浑然不觉的，因为同样的快递员实在是太多了。

知道了传统通信中信息被窃听的原理，科学家们就想出了一个应对策略：每发一个字就只叫一个快递员（你可以把一个快递员就理解为是一个光子）。

每个快递员从我这里拿走的物品就是独一份，没有第二份。这样一来，如果有一个快递员中途被拦截了，那么接收方马上就会发现收到的信息是不完整的，也就是窃听者只要一窃听，马上就会被察觉。

这就是量子通信的核心原理，说出来真的是一点都不高深。

但是，单光子通信是标标准准的知易行难的事情，实现它是很困难的。现在，全世界把这个技术做得最好的就是我们中国人。2016 年 8 月 16 日，我国成功发射了墨子号量子实验卫星，全世界第一个实现了在 500 公里高的太空轨道，把单个光子准确地打到地面的接收器上。

但是，讲到这里，还只是量子通信的核心原理，并不是量子通信的全部。因为，要真正实现不被窃听，还有一个至关重要的问题：在单光子通信方案中，有一个漏洞，如果一旦信息被复制，不就能窃取信息了吗？

万幸的是，科学家们发现了量子世界中的又一个神奇规律：量子不可克隆原理。要知道，一个量子的自旋态在没有被测量之前，是处在不确定中的，只有被测量了之后才能确定下来。正是这个原因，使得一个量子的自旋态永远也不可能被另一个量子克隆。你可以复制，但是对不起，一旦你复制成功了，原始量子也必然被破坏。

回到那个快递的比喻，在量子的世界中，虽然你可以把快递员给拦截下来，但是，你只要一打开快递盒，读取了里面的信息，那对不起，这个快递盒就被彻底破坏了。

正是因为有了量子不可克隆原理的存在，才使得单光子通信成为了绝对安全，从理论上来说不可能被窃听的量子通信，它在未来的军事、国防和信息安全领域将起到巨大的作用。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者： 科学声音

审核：北交大物理实验室高级工程师 周晓亮

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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