量子通信的核心在于以量子态来编码信息并传输，其通信过程服从量子不确定性原理、量子相干叠加和量子非定域性等量子力学的基本物理原理，基于量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理提供了无法被窃听和计算破解的安全性保证，量子通信主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。

　　量子隐形传态基于量子纠缠对分发与贝尔态联合测量，实现量子态的信息传输，其中量子态信息的测量和确定仍需要现有通信技术的辅助。量子隐形传态中的纠缠对制备、分发和测量等关键技术有待突破，处于理论研究和实验探索阶段，距离实用化尚有较大差距。 量子密钥分发，也称量子密码，借助量子叠加态的传输测量实现通信双方安全的量子密钥共享，再通过一次一密的对称加密体制，即通信双方均使用与明文等长的密码进行逐比特加解密操作，实现更为安全的保密通信。

　　2023年3月9日，北京量子信息科学研究院袁之良团队首创量子密钥分发开放式新架构，采用光频梳技术，成功实现615公里光纤量子通信。该架构在确保量子通信安全性的同时，能大幅降低系统建设成本，为中国建设多节点广域量子网络奠定基础。

　　定义

　　量子通信的基本思想主要由 Bennett 等于 20 世纪 80 年代和 90 年代起相继提出，主要包括量子密钥分发（quantum key distribution, QKD）和量子态隐形传输 (quantum teleportation)。

　　量子密钥分发可以建立安全的通信密码，通过一次一密的加密方式可以实现点对点方式的安全经典通信，现有的量子密钥分发技术可以实现百公里量级的量子密钥分发 , 辅以光开关等技术，还可以实现量子密钥分发网络。量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量，实现量子态 (量子信息) 的空间转移而又不移动量子态的物理载体，这如同将密封信件内容从一个信封内转移到另一个信封内而又不移动任何信息载体自身，在经典通信中很难实现，基于量子态隐形传输技术和量子存储技术的量子中继器可以实现任意远距离的量子密钥分发及网络。

　　量子通信的实现基于量子态传输，为便于传输，现有的量子通信实验一般以光子为量子态载体，其表现形式即为光子态传输，量子信息的编码空间以光偏振为主。如前所述，量子态隐形传输只是在空间转移量子信息 (量子态)，但并不转移量子信息的物理载体。若以光子为量子信息载体，量子态隐形传输就是把量子信息从一个光子上转移到远处另外一个光子上。这样的量子态隐形传输有一个明显的应用：在恶劣通道情况下, 若直接传输光子本身进行量子通信，将会由于误码率过大而无从实现通信任务。而基于量子态隐形传输的量子通信由于无需传输光子本身，其通信质量不受物理通道影响。量子态隐形传输需要通信双方预先共享一个量子纠缠态 (常用的两光子量子纠缠态又称纠缠光子对，或纠缠对)。为了预先共享纠缠对，需要预先进行纠缠对分发。实际上，纠缠分发本身也可以用来实现量子密钥分发。通信双方预先共享的纠缠对的质量取决于纠缠分发时的通道状况。用于各类噪声的存在，共享纠缠对一般是不理想的。Bennett 等人的理论表明, 通过对不理想纠缠对纯化可以获得高质量纠缠对，基于此可以实现高品质的量子态隐形传输。

　　发展历史

　　1900年，”量子“概念第一次由普朗克（Planck）提出，普朗克假定，光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的，而是一份一份的，一份“能量”就是所谓量子，“量子论”也因此宣告诞生。

　　1968年，以色列科学家斯蒂芬·威斯纳提出可以用量子系统来完成经典方法所不能够处理的信息处理任务，这启发了人们发明量子通信和量子密码学。

　　1979年，美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard提出量子通信传输设想。

　　1981年至1982年，艾伦·爱斯派克特（Alain Aspect）使用纠缠光粒子光子进行了开创性的实验，这些实验证实了量子力学是正确的，并为量子计算机、量子网络和量子通信铺平了道路。

　　1984年，美国IBM公司提出量子密钥分发协议BB84协议，量子密钥分发利用单光子的不可分割性、未知量子态的不可复制性等微观粒子特有的性质，从原理上保证了密钥的不可窃听，从而确保了信息传送的安全。但在早期阶段，量子通信的安全通信距离只有10公里量级，不具有实用价值。

　　1989年，IBM公司在实验室中实现了第一个量子信息传输，拉开了量子通信实验研究的帷幕。

　　1991年，英国牛津大学A.K.Ekert提出基于纠缠光子对的QKD协议，简称Ekert91协议，开启了基于纠缠光子对进行密钥分发的先河。

　　1993年，英国国防部长在光纤中实现了基于BBB4方案的相位编码，传输距离为10km。

　　1997年，瑞士日内瓦大学Nicolas Gisin小组实现了即插即用系统的量子密钥分发方案。

　　1997年，奥地利科学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的经典之作。当时，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟正在奥地利留学，跟随导师蔡林格参与了整个实验。回国后，潘建伟在中国科学技术大学组建了量子信息实验室，经十余年耕耘，目前，潘建伟团队已成为世界范围内量子信息实验领域的领头羊，2016年的“墨子号”卫星正是这个团队的最新杰作。

　　2002年，欧洲小组在自由空间中量子密钥分发的距离达到23km。

　　2003年，美国DARPA资助建立哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发实验系统和量子保密通信组网应用。此后，欧美日多国相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等量子保密通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、选举投票保密等方面的应用。2013年，美国独立研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用分段量子密钥分发，结合安全授信节点进行密码中继的方式为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心间通信提供量子安全保障服务。

　　2004年，美国国防部高级研究署资助BBN公司建成全球第一个量子通信实验网络，共有6个服务器。

　　2005年，华人科学家王向斌、罗开广、马雄峰和陈凯等人，共同提出了基于诱骗态的量子密钥分发实验方案，从理论上把安全通信距离大幅度提高到100公里以上。

　　2007年，欧洲研究小组在自由空间实现了144km的基于纠缠的QKD。

　　2008年，欧洲联合小组在维也纳建立了SECOQC量子安全通信网络，是世界上第一个由量子密钥保护的计算机网络，覆盖12个国家，包含6个节点，8条链路。

　　2010年，由日本多家公司与Toshiba欧洲研究中心，瑞士ID Quantique、奥地利All vienna研究组合作建立了东京量子密钥分发网络。

　　2012年，由中国科学技术大学和安徽量子通信技术有限公司承建的合肥城域量子通信试验示范网正式建成，合肥市由此成为中国乃至全球首个拥有规模化量子通信网络的城市。

　　2014年，量子保密通信“京沪干线”项目通过评审并开始建设，计划建成北京和上海之间，基于安全授信节点密码中继，距离超2000km的国际首个长距离光纤量子保密通信骨干线路。

　　2016年，中国研制成功并发射国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”，在国际上率先实现星地量子通信实验，充分验证了基于卫星的量子通信技术的可行性。

　　2017年9月29日，世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通。结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路，中国科学家成功实现了洲际量子保密通信。

　　2019年，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等和奥地利维也纳大学塞林格小组合作，在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态。这是自1997年实现二维量子隐形传态实验以来，科学家第一次在理论和实验上把量子隐形传态扩展到任意维度，为复杂量子系统的完整态传输以及发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础，论文以编辑推荐的形式于8月15日发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。

　　2020年，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、徐飞虎等利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次实现量子安全时间传递的原理性实验验证，为未来构建安全的卫星导航系统奠定了基础。该成果于5月11日在线发表在国际学术期刊《自然-物理》上。

　　同年6月15日，中国科学院宣布，“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子密钥分发的空间距离提高了一个数量级，并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子密钥分发，国际学术期刊《自然》（Nature）于2023年6月15日在线发表了这一成果。

　　2022年1月，中国科学技术大学研究团队实现833公里光纤双场量子密钥分发，将安全传输距离世界纪录提升了200多公里，将安全码率提升了50-1000倍。

　　2022年，中国科学家团队设计出一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，成功实现100公里的量子直接通信。这是目前世界最长的量子直接通信距离。该研究成果由北京量子信息科学研究院、清华大学龙桂鲁教授团队和陆建华教授团队共同攻关，发表于最新一期《Light-Science & Applications》期刊在线版。此前公开发表的成果中，量子直接通信的最长距离为18公里。

　　2022年8月，中国科学技术大学潘建伟院士科研团队与中国科学院大学杭州高等研究院长王建宇院士团队，通过”天宫二号“和4个卫星地面站上的紧凑型量子密钥分发（QKD）终端，实现了空——地量子保密通信网络的实验演示，相关论文刊登在国际知名学术期刊《光学》上。

　　2022年，法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser） 和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）三人被授予诺贝尔物理学奖以表彰他们“用纠缠光子实验，验证了量子力学违反贝尔不等式，开创了量子信息科学。他们的研究为基于量子信息的新技术奠定了基础，包括量子计算、量子信息的传输和存储，以及量子加密算法等。

　　2023年3月9日，北京量子信息科学研究院袁之良团队首创量子密钥分发开放式新架构，采用光频梳技术，成功实现615公里光纤量子通信。该架构在确保量子通信安全性的同时，能大幅降低系统建设成本，为中国建设多节点广域量子网络奠定基础。相关成果日前发表于国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）。

　　2023年3月，中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院、哈尔滨工业大学等单位的科研人员合作，通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术，首次在国际上实现百兆比特率的实时量子密钥分发，实验结果将此前的成码率纪录提升一个数量级：系统稳定运行超过50个小时，在传输距离328公里下码率超过200b/s。该成果于2023年3月14日在线发表于国际学术期刊《自然-光子学》（Nature Photonics）。

　　相关原理

　　量子通信基本原理

　　量子通信融合了现代物理学和光通信技术研究的成果，由物理学基本原理来保证密钥分配过程的无条件安全性，量子密钥分发根据所利用量子状态特性的不同，可以分为基于测量和基于纠缠态两种。基于纠缠态的量子通信在传递信息的时候利用了量子纠缠效应，即两个经过耦合的微观粒子，在一个粒子状态被测量时，同时会得到另一个粒子的状态。

　　点对点保密通信最直接的办法是让通信双方先共享一串密码， 然后以此密码通过一次一密的加密方法，对通信内容加密、解密。Shannon于1948年已经证明，若密码是安全的，则通信内容严格安全。现有的经典协议不能确保通信双方的共享密码的安全性。例如，使用秘密信道建立共同密码的方法。经典通信不存在可证实的绝对安全的秘密信道，因为窃听者原则上总可以做到获取 “秘密通道” 的信息（密码）而又不留痕迹.。合法用户无从知晓通过 “秘密信道” 发送的密钥有没有被窃听。 建立密钥的另一种经典方法是基于对特定数学问题的复杂性假定。然而，现有的复杂性假定并未获得严格的数学证明，基于量子逻辑的大数分解算法却从理论上证明了经典RSA通信协议不安全。量子密钥分发理论协议的安全性问题。

　　量子纠缠纯化

　　纠缠是量子通信中的基本资源。然而，在纠缠分发过程中，由于通道噪声，远距离的共享纠缠光子对质量会有下降，从而影响量子通信任务的实现。纠缠对提纯理论结论是，只要初始共享的纠缠对噪声低于一定水平，就可以提炼出较少对的纯纠缠对，对纯纠缠对在两端进行同一基矢测量即可获得安全的密码。最初的量子纠缠纯化方案需要用到受控非门，但精确的受控非门无法用现有技术实现。2001年，潘建伟等提出了无需受控非门的纠缠纯化理论方案，使得以现有技术实现纠缠纯化成为可能。2003年，他们利用该方案成功实现了对任意纠缠态的纠缠纯化。

　　量子纠缠与量子通信

　　作为量子信息处理上最重要的资源之一，量子纠缠在量子保密通信上的应用价值主要有两个方面：一是直接基于纠缠分发可以实现共享量子密钥，二是基于量子中继的远程量子通信的基础。传统的量子纠缠态是指一种两光子态的线性叠加态。

　　由于两个光子可以位于空间不同地点，纠缠光子对可以形成不同地域的非经典关联。这种关联性 可以直接用于共享密钥。借助于不同地点预先共享纠缠光子对，可以实现量子态隐形传输。这也是基于量子中继的远程量子通信的基础技术。量子纠缠对还可用于一类容错量子保密通信中。

　　量子通信的实现

　　光具有波动性，也就是光在传播过程中，是一边振动，一边往前走，振动可以是空间内垂直于传播方向的任意方向。但是我们可以在中途加一个偏光器，让振动方向垂直偏光器的光才能通过。这样一来，通过的光亮度会大大减弱，从而减少眼睛的负担。

　　在二维空间上，它是X和Y，在三维空间则是X、Y、Z这三轴，把这两组基底想象成偏振器，当一束光通过某个基底后，只有这个方向偏振的光子被保留下来，也就是说这个光子的偏振状态是唯一的。好比一根绳子穿过篱笆，抓住一头上下甩动，篱笆对于绳子就像“透明”的，不会干扰绳子摆动，但如果左右摆动，绳子的波就被篱笆阻挡了。

　　以从A到B的密钥传输为例：

　　首先，发信人A用水平垂直基底和斜45°基底对光子进行制备，并对制备后的偏振状态进行赋值。比如分别把他们在X轴偏振的光子记为1，Y轴偏振的记为0。也就是说，从水平垂直基底上筛出的光子，如果偏振状态表现出是0°，则代表二进制数1；如果是90°，则代表二进制数0。之后，A随机选择一批具有一定偏振状态的光子，通过正常的信道逐个发送给收信人B。此时，光子的赋值可以记作一个长度为N的二进制串。B在接收到A的光子后，随机选择一种基底进行测量。如果B和A选择的是一样的基底，那么测出来的结果就会跟A的赋值一样。如果选错了基底，光子就会无法通过，呈现出完全随机的表现。因为只有0和1这两种赋值，所以在这种情况下，错误率是50%。

　　在这之后，B把测量结果通过其他信道，比如公开打电话之类的，跟A进行核对。他不需要告诉A具体收到什么结果，只要告诉A他选取了什么基底就足够了。这样就能剔除错误结果，保留正确的结果，从而形成长度为M（M<n）的二进制串，成为原始密钥。这时，A已经知道B测量光子用的基底序列，于是每次A给B发随机脉冲时，同时附上一份对错序列表。B收到脉冲以后，用对错表跟自己的测量结果进行比对。这样一来，他就知道哪几位上的数字是对的，从而获得正确的密钥。

　　量子通信分类

　　通常来讲，量子通信分为两种，另外一种是量子隐形传态；一种是量子密钥分发。前者是利用量子的不可复制性以及测量的随机性来生成量子密码，给传统的数字通信加密；而后者则是利用量子纠缠直接传送量子比特。量子隐形传态是为了给未来的量子计算机之间的通信使用。

　　量子隐形传态基于量子纠缠对分发与贝尔态联合测量，实现量子态的信息传输，其中量子态信息的测量和确定仍需要现有通信技术的辅助。量子隐形传态中的纠缠对制备、分发和测量等关键技术有待突破，目前处于理论研究和实验探索阶段，距离实用化尚有较大差距。

　　量子密钥分发，也称量子密码，借助量子叠加态的传输测量实现通信双方安全的量子密钥共享，再通过一次一密的对称加密体制，即通信双方均使用与明文等长的密码进行逐比特加解密操作，实现无条件安全的保密通信。经过近三十年的发展，量子密钥分发从理论协议到器件系统初步成熟，目前已有小规模的试点应用和初步产业化趋势。以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段，是量子通信领域理论和应用研究的热点。

　　量子态隐形传输

　　由于量子纠缠是非局域的，即两个纠缠的粒子无论相距多远，测量其中一个的状态必然能同时获得另一个粒子的状态，这个“信息”的获取是不受光速限制的。这种跨越空间的纠缠态用来进行信息传输，基于量子纠缠态的量子通讯便应运而生，这种利用量子纠缠态的量子通讯就是“量子隐形传态”（quantumteleportation）。

　　量子隐形传态的过程（即传输协议）一般分如下几步：

　　（1）制备一个纠缠粒子对。将粒子1发射到A点，粒子2发送至B点。

　　（2）在A点，另一个粒子3携带一个想要传输的量子比特Q。于是A点的粒子1和B点的粒子2对于粒子3一起会形成一个总的态。在A点同时测量粒子1和粒子3，得到一个测量结果，测量会使粒子1和粒子2的纠缠态坍缩掉，但同时粒子1和和粒子3却纠缠到了一起。

　　（3）A点的一方利用经典信道（就是经典通讯方式，如电话或短信等）把自己的测量结果告诉B点一方。

　　（4）B点的一方收到A点的测量结果后，就知道了B点的粒子2处于哪个态。只要对粒子2稍做一个简单的操作，它就会变成粒子3在测量前的状态。也就是粒子3携带的量子比特无损地从A点传输到了B点，而粒子3本身只留在A点，并没有到B点。

　　以上就是通过量子纠缠实现量子隐形传态的方法，即通过量子纠缠把一个量子比特无损地从一个地点传到另一个地点，这也是量子通讯目前最主要的方式。需要注意的是，由于步骤（3）是经典信息传输而且不可忽略，因此它限制了整个量子隐形传态的速度，使得量子隐形传态的信息传输速度无法超过光速。

　　因为量子计算需要直接处理量子比特，于是“量子隐形传态”这种直接传的量子比特传输将成为未来量子计算之间的量子通信方式，未来量子隐形传态和量子计算机终端可以构成纯粹的量子信息传输和处理系统，即量子互联网。

　　量子密钥分发

　　量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD），是一种密钥的安全传输方式，可以在两个相距遥远的通信端之间进行密钥的发送。在保密通信的过程中，需要用密钥加密解密信息，密钥的安全性保证了信息的安全性。

　　与传统方式不同，量子密钥分发理论上是无条件安全的，其安全性由量子力学的基本原理保证。量子不可克隆定理说明，无法完美克隆任意量子态。因此，任何对量子密钥分发过程的窃听，都有可能改变量子态本身，造成高误码率，从而使窃听被发现。一般来说，QKD过程中对量子态的传输，是依靠对光子进行编码、传输、测量实现的。

　　在量子密钥分发中，通信双方首先对单光子进行随机的偏振态调制和测量，之后根据调制和测量结果进行协商、纠错和信息处理，最终获得共享的量子密钥。由于单光子的随机偏振具备量子叠加态的特征，任何窃听行为都将导致量子态的坍缩和信道误码率的上升从而被通信双方察觉。其密钥传输的安全性基于物理特性和编码协议，不依赖计算复杂度，从而也排除了对于密码进行计算破解的可能性。在量子密钥分发系统中，单光子源尚不成熟，集成诱骗态调制的弱相干脉冲源是现实选择，而光子探测器和随机数生成器等器件性能对于密钥生成速率和传输距离等性能指标也具有重要影响。量子密钥分发结合一次一密加密可以在理论和协议层面提供无条件安全性，但实际器件和系统的非理想特性仍然会成为可能被窃听者利用的安全漏洞，不断检验和完善量子密钥分发系统的现实安全性也是量子通信技术发展的重要方向。

　　由于量子密钥分发系统在协议原理、组网方式、器件性能和现实安全性等方面存在局限，商用化系统的安全密钥速率仅为约10kbit/s量级，现网传输距离约100km左右，实验报道的最高密钥速率约为2Mbit/s量级（约40km传输距离时），光纤传输距离最高约200km（约1kbit/s密钥速率时）。量子密钥分发目前主要面向城域范围的语音加密应用，随着协议、器件和系统技术的发展与改进，有望提高密钥速率和传输距离，逐步扩展到干线高速传输的加密应用。

　　量子通信基本方法

　　实用化点对点量子通信

　　实用化点对点量子通信要求随机改变相干态脉冲强度而测出单光子计数率。以此为输入参数提炼出最终码，采用该法所得最终码，其安全性与用理想单光子源所获最终码等价。对于弱相干态光源所发射的脉冲，有一部分是多光子脉冲，一部分是单光子脉冲。诱骗态方法的主要功能是测算在接受端Bob的探测结果（初始码）中，有多少起源于发射端（Alice端）光源的单光子脉冲，多少起源于发射端的多光子脉冲。基于这个至关重要的参数,就可以提炼出安全的最终码，其安全性等同于只用了由发射端单光子脉冲产生的那部分初始码而抛弃了多光子脉冲产生的那部分初始码，在安全性方面最后的效果就等同于使用了理想单光子源。

　　量子网络通信

　　辅以光开关技术后，诱骗态方法还可用以实现量子通信网络。由于没有量子存储器，这种网络的 量子密钥分发距离不能超越点对点的量子密钥分发距离。然而，网络上的任何两个用户可以通过光开关切换实现量子密钥分发。中国在2009年实现了 3 节点的链状量子通信网络，为世界上首个基于诱骗态方案的量子语音通信网络系统，实现了实时网络通话和三方对讲功能，演示了无条件安全的量子通信的可实用化。此成果很快被美国《Science》杂志以 “量子电话” 为题进行了报道，亦被欧洲物理学会《物理世界》以 “中国诞生量子网络” 为题做了专题报道。2009年8月，中国科学技术大学潘建伟小组在合肥建成了一个星型 5 节点全通量子电话网络。

　　量子中继与远程量子通信

　　目前采用诱骗态方法的最远实验距离是200km。尽管随着检测技术的提高，该距离还会进一步提高，但由于成码率随着距离呈指数衰减，而单量子态信号又不能在中途放大，因此，基于经典相干态光源的诱骗态方法很难直接完成全球化量子通信任务。

　　远程量子通信的最终实现将依赖于量子中继，其基本思想为：在空间建立许多站点，以量子纠缠分发技术先在各相邻站点间建立共享纠缠对，以量子存储技术将纠缠对储存。采用远距离自由空间传输技术实现量子纠缠转换，即增长量子纠缠对的空间分隔距离，如果预先将纠缠对布置在各相邻 站点，纠缠转换操作后便可实现次近邻站点间的共享纠缠。继续操作下去，原则上可以实现在很远的两个站点间建立共享纠缠，即实现远距离量子通信。

　　诺贝尔物理学奖与量子通信

　　贝尔不等式的根源来自于1935年爱因斯坦、波多斯基和罗森三人提出的一个佯谬，也就是EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯谬：要么量子理论是不完备的，要么量子力学会导致超光速的作用，与局域性相违背。EPR佯谬并没有质疑量子力学的正确性，而是质疑量子力学的不完备性。

　　1964年，英国物理学家约翰·贝尔定义了一个可观测量，并基于局域隐变量理论预言的测量值都不大于2，而用量子理论，可以得出其最大值可以到2√2。一旦实验测量的结果大于2，就意味着局域隐变量理论是错误的。此前贝尔一直站在爱因斯坦一方，贝尔研究隐变量理论的初衷是要证明量子理论非局域性有误，可后来所有实验都表明局域隐变量理论预言有误，而量子理论的预言与实验一致。贝尔不等式的诞生宣告量子理论的局域性争议从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。

　　美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）建造了一个仪器，一次发射两个纠缠在一起的光子，每个光子都发射向一个测试其偏振的过滤器。1972年，他与博士生斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）（1944-2012）一起，展示了一个明显违反贝尔不等式的结果，并与量子力学的预测一致。

　　在随后的几年里，约翰·克劳泽和其他物理学家继续讨论该实验及其局限性，其中一点是，该实验在产生和捕捉粒子方面普遍存在不科学的地方，测量也是预先设定好的，过滤器的角度也是固定的。消除这个特殊的漏洞是很困难的，因为纠缠在一起的量子态是如此脆弱和难以管理；有必要处理单个光子。

　　随后法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect)建立了一个新版本的装置，并在几次反复中进行了完善。在他的实验中，他可以登记通过过滤器的光子和那些没有通过的光子。这意味着更多的光子被检测到，测量结果也更好。在他测试的最后一个变体中，他还能够将光子引向两个不同角度的过滤器。一种策略是在纠缠的光子产生并从其源头发出后再切换它们的方向。滤波器只相距六米，所以切换需要在几十亿分之一秒内发生。如果关于光子将到达哪个过滤器的信息影响了它从源头发射的方式，那么它就不会到达那个过滤器了。实验中一侧的滤光器的信息也不可能到达另一侧并影响那里的测量结果。用这种方法，阿兰·阿斯佩就弥补了一个重要的漏洞，并提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，不存在隐变量。

　　1998年，安东·塞林格（Anton Zeilinger）等人在奥地利因斯布鲁克大学完成贝尔定理实验，彻底排除定域性漏洞，实验结果具有决定性；2015年，安东·塞林格（Anton Zeilinger）进行了一项实验，并因该实验无任何漏洞被誉为“无漏洞”，这个实验证明了贝尔不等式不成立，同时排出定域性漏洞和测量漏洞。

　　2022年，法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser） 和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）三人被授予诺贝尔物理学奖以表彰他们“用纠缠光子实验，验证了量子力学违反贝尔不等式，开创了量子信息科学。他们的研究为基于量子信息的新技术奠定了基础，包括量子计算、量子信息的传输和存储，以及量子加密算法等。

　　应用价值

　　量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，不仅可用于军事、国防等领域的国家级保密通信，还可用于涉及秘密数据和票据的电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政等领域和部门，而技术又相对成熟，未来市场容量极大。

　　在国防和军事领域，量子通信能够应用于通信密钥生成与分发系统，向未来战场覆盖区域内任意两个用户分发量子密钥，构成作战区域内机动的安全军事通信网络；能够应用于信息对抗，改进军用光网信息传输保密性，提高信息保护和信息对抗能力；能够应用于深海安全通信，为远洋深海安全通信开辟崭新途径；利用量子隐形传态以及量子通信绝对安全性、超大信道容量、超高通信速率、远距离传输和信息高效率等特点，建立满足军事特殊需求的军事信息网络，为国防和军事赢得先机。在国民经济领域和部门，量子通信可用于金融机构的隐匿通信等工程以及对电网、煤气管网和自来水管网等重要基础设施的监视和通信保障，促进经济发展。

　　研究进展

　　前沿理论及成果

　　2019年，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等和奥地利维也纳大学塞林格小组合作，在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态。这是自1997年实现二维量子隐形传态实验以来，科学家第一次在理论和实验上把量子隐形传态扩展到任意维度，为复杂量子系统的完整态传输以及发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。

　　2022年8月，中国科学技术大学潘建伟院士科研团队与中国科学院大学杭州高等研究院长王建宇院士团队，通过”天宫二号“和4个卫星地面站上的紧凑型量子密钥分发（QKD）终端，实现了空——地量子保密通信网络的实验演示。

　　2022年，中国科学家团队设计出一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，成功实现100公里的量子直接通信。这是目前世界最长的量子直接通信距离，此前公开发表的成果中，量子直接通信的最长距离为18公里。

　　2023年3月9日，北京量子信息科学研究院袁之良团队首创量子密钥分发开放式新架构，采用光频梳技术，成功实现615公里光纤量子通信。该架构在确保量子通信安全性的同时，能大幅降低系统建设成本，为中国建设多节点广域量子网络奠定基础。

　　2023年3月，中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院、哈尔滨工业大学等单位的科研人员合作，通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术，首次在国际上实现百兆比特率的实时量子密钥分发，实验结果将此前的成码率纪录提升一个数量级：系统稳定运行超过50个小时，在传输距离328公里下码率超过200b/s。

　　各国进展

　　2022 年美国通过《芯片与科学法案》，推进对量子计算领域的关键技术研发和商业化。从财政投入来看，美国政府对量子信息领域的研发投入在 2019—2022 四年间，每个财年分别拨款了4.35 亿（实拨）、5.79 亿（实拨）、6.99 亿（预算额）以及 8.77 亿（申请额）美元，年度增长率高达 25%以上。为了支撑和管理国家量子计划，美国成立了国家量子协调办公室、国家量子计划咨询委员会、量子信息科学小组委会等机构，同时联合国家实验室、科技巨头企业、高等科研机构、国际盟友等共同组建顶尖科研综合体，结成了芝加哥量子联盟、量子信息边缘联盟、马里兰量子联盟等，设立了下一代量子科学与工程中心、量子优势联合设计中心、量子系统加速器等科学中心。

　　2022年，欧盟提出“全面统筹量子技术工业和研发计划”，概述了量子计算、量子模拟、量子通信等领域在未来十年的发展路线图；同时，旗舰计划还指出培训具有交叉学科背景的“量子工程师”或是更普遍的具备量子意识的劳动力应成为量子信息领域发展的重大目标之一，提倡在全欧推广覆盖高中教育和大学教育和产业工人培训的量子教育项目。

　　2023年3月，英国科技、创新与技术部发布《2023 国家量子战略》，计划在未来10年将英国打造为一个领先的量子经济体，以量子技术促进国家繁荣与安全。此外，英国尤其重视量子领域的企业培育，通过设立“产业战略挑战基金” 和举办“量子挑战赛”等方式。支持企业深度参与项目投资和技术研发，以最大程度实现包括量子计算机、量子通信等量子技术的潜在商业价值转化。

　　2023年8月1日，中国工业和信息化部发布的《量子保密通信网络架构》（YD/T 4301-2023）、《量子密钥分发（QKD）网络 网络管理技术要求 第1部分：网络管理系统（NMS）功能》（YD/T 4302.1-2023）、《基于IPSec协议的量子保密通信应用设备技术规范》（YD/T 4303-2023）等三项量子保密通信相关的通信行业标准落地实施。前述三项标准由中国信息通信研究院、国科量子通信网络有限公司、国盾量子(688027)等共同参与制定，从设计、部署、管理等方面进一步规范了量子保密通信网络的建设，并对量子保密通信产品设计和安全测评提供权威指导，推动有关设备产品的安全应用。