量子通信本质是激光通讯？量子纠缠态不能测量为何能传输密钥？

量子加密通信在本质上是激光通信？

也许这个引出这个话题的朋友有些误解，当前传统意义上的量子通讯并不能做到直接的量子纠缠通讯，毕竟量子叠加态的波函数会随着测量而坍塌，因而从理论上否决了直接使用量子纠缠通讯的可能！也许这就是很多攻击量子通讯是挂羊头卖狗肉的重要论点！但事实上量子通讯从来都没有标榜过自己是量子纠缠通讯，下面我们就来简单了解下当前如火如荼开展的量子通讯是个嘛玩意！

一、当前流行量子通讯到底是一种什么样的通讯？

很明显量子纠缠无法直接传输信息，因此当前的量子通讯并不是直接的量子纠缠通讯！而是量子密钥+传统通讯的一种混合通讯方式！准确的说在这种通讯中，被分离了的纠缠态光子只担任密钥的传输，而数据传输还是通过传统信道来进行的！

传统通讯方式是密钥和通讯数据走的是同一个通道！而量子加密通讯方式是量子密钥信道和传统信道是分离的，或者至少在传递模式上是分离的！看到这里吃瓜群众有一个疑问了，既然量子纠缠无法传递有效信息，那么它是怎么传递密钥的？毕竟密钥也是信息不可分割的一部分！

这就不得不提一下BB84协议，这是Bennett和Brassard在1984年提出了世界上第一个量子密码协议：BB84协议！在协议中采用的并不是测量纠缠态光子的幽灵般的超距作用，而是利用了一对分离光子的偏振态！在协议中采用的线偏振和圆偏振是共扼态，根据海森堡测不准原理，两个偏振态只会有一个准确！因此假如有第三方窃听者在光路中测量这些光子的偏振态时，那么其纠缠光子的状态就会发生变化，使得发送方和接收方能都能发现有第三个人的存在！并且线偏振态和圆偏振态是非正交的，无法制造一模一样状态的光子来欺骗接收方，海森堡测不准原理和纠缠态光子无法克隆的原理保证了BB84协议的绝对安全性！

二、量子加密通讯使用哪种类型的数据通道？

量子加密通讯并没有规定必须使用哪种数据通道，我们可以使用传统的无线电通讯，或者光纤通讯，或者有线电缆通讯都没有影响，因为量子密钥发放是独立的通道！就像你我手中钥匙已经快递过来了，那把锁是海运还是空运又或者是公路运输有什么关系？

三、量子密钥的加密方式能被破解吗？

从BB84协议方式来看，理论上是不可能破解的！但它的发放机制可能存在漏洞，实际量子密钥分配（QKD）发放模式如下：

理论上的QKD是绝对安全的，但实际的QKD系统与理论模型之间还存在难以消除的偏差，原因是QKD系统采用的四个信号源不可能做到完全一致！因此系统中不可避免的存在边带信号，第三者可以通过分辨四种信号源发出的不同特征获取密钥信息！这是QKD系统理论上存在的漏洞，而最近上海交通大学研究团队则是通过注入种子频率光子取得谐振，进而复制出密钥光子获取密钥！密钥盗取成功率达到了60%以上！当然这些方式并不代表量子密钥不堪一击，首先这种模式必须突入QKD发放核心，相当于给猫去挂上铃铛的过程！其次这并不是量子密钥发放的理论漏洞，而是实际器件偏差所产生，未来随着发放技术的改进和设备偏差的减小，这种窃听方式将会被杜绝！

四、量子加密通讯产业能上市吗？

其实这混淆了科学研究与商业模式两个概念，有规定科学研究不能与商业模式相结合吗？如果有良好的商业应用前景，以良性循环推进与促进科学研究，这不是事半功倍么？难道科学研究真的要和商业行为绝缘？这样的思维只能固步自封，闭门造车！还要将科学封闭在自我陶醉的圈子里吗？这是对科学不负责任，更是对未来不负责任……！

激光如何抢占通信领域的先机？

出 品：科普中国

作 者：兰顺正

策 划：宋雅娟 涂子怡

监 制：光明网科普事业部

近日，在佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心，通用原子电磁系统公司与美国国防部太空发展局利用SpaceX公司“猎鹰9号”商业火箭将激光互联网络通信系统（LINCS）卫星发射到指定轨道。

独树一帜的激光通信

激光作为一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征，激光通信则是利用激光来作为信息的载体。与传统的无线电通信相比，卫星激光通信具有许多独到之处：

首先激光载波频率具有数百 THz量级，比载波频率在几 GHz 到几十 GHz 范围内的传统无线电通信高 3~5 个数量级，可携带更多信息，通信速率更高。其次激光发散角小，束宽极窄且指向性好，在空间中不易被捕获。在进行激光通信时，设备必须位于狭窄的光束之内，才能接收到较为清晰的信号，因此可以利用激光进行两点之间的高度保密通信，也可以建立防拦截激光通信网络，进行多点保密通信，通信过程中不易受外界干扰，拥有更好的安全性和可靠性。同时激光波长比无线电波长小 3~5 个数量级，激光通信系统所需的收发光学天线、发射与接收部件等器件与无线电所需器件相比，尺寸小、重量轻，可满足小型化、轻量化、低功耗的要求。

激光通信是未来通信技术发展的重要方向之一

虽然激光通信也存在着一定的局限性。如与微波通信相比，激光通信的成本较高；激光在大气传输的过程中，会被雪雾和雨水大大衰减而影响通信的质量；且激光束极高的方向性也导致对设备的稳定性和精度提出很高的要求。但是总体来说，激光通信必将在军事领域以及未来空间高速数据传输方面得到广泛的应用，这已经成为国际上的共识及趋势。此前美国太空发展局局长德里克·图尔尼尔就曾说过，激光通信可以带来“高带宽、低延时、信号干扰概率低的通信网络，适用于任何平台，无论是在水面上，船上，还是在空中”。

“大国竞争”的助力

其实美国等国家在很早之前就已经率先开展卫星激光通信技术研究，如在 1968 年美国 NASA 戈达德太空飞行中心的科研人员就曾将一束激光从地面站发送至近地轨道卫星 GEOS⁃II，进行激光传输实验，分析了大气湍流对激光信号传输的影响；1985年美方又运用高精度跟瞄技术建立了稳定的激光通信链路。而在2013 年，美国月球激光通信演示验证项目成功实施，为其卫星激光通信发展奠定了深厚技术基础。

无线电通信易受到对方电子战部队的干扰

这些年美国重回“大国竞争”，因此为应对同级别的对手，美军对于通信安全的要求也骤然加强。美军认为，当前各类武器系统都依靠无线电信号通信，而这也是一些自动功能的基础，自动功能虽可以提升武器的防御力，但无线电信号很容易被“黑客入侵”。根据华盛顿的说法，俄罗斯在研制电子战系统方面取得了重大进展。五角大楼联合人工智能中心最近发布报告说：“俄罗斯军队的技术比美国更先进，而且正在迅速发展人工智能，以获得战场信息优势”。在这种情况下，激光通信就成为美军的关注重点之一。

据报道，此次是美国国防部太空发展局自2019年成立以来第一次发射卫星。激光互联网络通信系统由12颗微型 “立方卫星”（CubeSats）组成，每颗卫星载有一个C波段双波长全双工光通信终端(OCT)和一个红外（IR）有效载荷，所有部件均有原子电磁系统公司圣地亚哥生产厂设计和制造，目前已有两个卫星进入轨道开始调试运行。据分析，美国军方和通用原子公司将试图改变通信方式，欲抢在俄罗斯等国前面占得卫星激光通信的先机。通用原子电磁系统集团总裁斯科特·福尼表示，未来是光通信的天下，即将开展的实验标志着通信“进化”的开端。

军事小词典

激光通信原理：在利用激光进行通信时，技术人员需要首先将各种形式的信号转变为调制光束。在接收站，技术人员需要用激光接收装置接收调制光束，并进行解调，从而将所需信号与激光束（载波）分离，与信号强度相关的输出电流将被逐级放大，然后被输送到扬声器或其他装置。

来源： 科普中国-军事科技前沿

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