9月30日消息，“薛定谔的猫”理论认定，在量子系统中，一个原子或者光子可以同时以多种状态的组合形式存在，而这些不同的状态可能对应不同的甚至是矛盾的结果。这就是著名的“猫既是死的又是活的”的假设理论。这个理论听起来很古怪，但是相关的物理学理论在现实世界中有着许多重要的应用。
其中一项应用就是通讯加密，这样任何人都没有机会窃听私人通话，无论是黑客还是间谍或者安全服务都不行。中国科学院在发表的一份声明称，科学院院长白春礼与任职奥地利科学院院长的Anton Zeilinger进行了视频通话，这是洲际量子通话的首次现实验证。
声明中称：“私密和安全通信是人类的基本需求。特别是随着网络应用和电子商务的指数级增长，建造一个保护数据的全球安全网络尤为重要。传统的公钥密码系统通常依赖于特定数学函数的难解性。相比之下，量子密钥分配（QKD）借助的是处于量子叠加状态的单一量子（或光子）来确保通话两端的绝对安全。”
中国科学院的专家称，之前，由于技术方面的原因导致量子通讯技术只能够实现数百公里内的连接，但是现在他们已经借助一颗名为“墨子号”的精密卫星找到突破这一限制的方法。
这颗卫星配备了一台诱饵状态的QKD发射器，一个混乱的光子源和一台量子通讯接收和分析器。此外，科学家在中国建造了五座地面卫星接收站。据中国科学院称，加密通信系统正在政府、银行、证券和保险公司中进行实际应用测试。科学家们计划将在中国境内与新加坡、意大利、德国和俄罗斯这四个国家进行类似的通讯测试。
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量子传送-也叫作量子通信：是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程，这是一种绝对安全的加密通信方式。
量子通信艺术图
中国科学家已经成功的通过海水发送纠缠粒子之间的信息，这种类型的量子通信首次在水下实现，在这个概念验证实验中，通过一个3.3米的水槽实现了量子的水下传送。
但研究人员预测，使用这种技术可以实现在900米范围内量子无损传送。这种技术明显可以应用于潜水艇。需要知道，潜艇自问世以来就以难以探测的隐蔽性成为克敌制胜的一大法宝，而通信问题则可谓是制约潜艇性能发挥的一个世界性难题。而中国率先解决了量子通信的水下应用问题，潜艇就可以不用浮出水面进行通信联络，这对于提升潜艇自身安全能力也至关重要。
-潜水艇-图片来自@视觉中国
量子通信是一种基于爱因斯坦称为“幽灵”的量子纠缠的想法。基本上，量子纠缠意味着两个粒子成了不可分割的联系，以致于无论发生什么，无论它们相距多远，都会自动影响另一个粒子。
但是直到现在,没有人在水中做这种实验,因为它会散射任何试图通过它的东西。如果这不太容易理解，那么试着用激光笔从空中射进水中。
科学实验
在这项实验中，来自上海交通大学的研究人员从黄海采集海水，并将其安装在实验室的一个3米长的水槽中。
然后，他们通过在晶体中发射一束光线，产生了一对纠缠光子。无论哪一个光子的极化，它的另一半都会自动产生相反的偏振。
这些粒子被放置在水箱的两端，研究小组表明，尽管被海水隔开，但他们能精确地在98%以上的时间之间传递信息。
研究人员在光学学会杂志上写道：“我们的研究结果证实了海水量子信道的可行性，这代表了水下量子通信的第一步。”。
现在还处于初期阶段，不过对其他团队来说，现在复制这一结果很重要。
能否在更远的距离进行，还有在不局限于水槽的海水中能否实行，还需要进一步实验。
(2017-08-28)
今年7月，中国科学家宣布他们利用宇宙的一种“幽灵般的”性质，首次实现了地面与太空之间的远距离传送。
这并非人或者物的瞬间转移，而只是停留在粒子层面——如光粒子——传送依据量子力学进行，该试验就是对量子力学的证明。
虽然理论早已提出，但此次试验仍然具有重要意义：此次量子隐形传输的距离达到870英里（约1400千米），几乎是之前所有记录的八倍。此外，不仅有一位研究人员表示，把光子发射到卫星是一个巨大的进步，由此研发出来的技术可以颠覆我们当代的生活。
在康奈尔大学研究量子力学的物理学家J.C.谢默斯·戴维斯（J.C. Séamus Davis）表示，这一最新研究成果“具有深远意义”，因为全面的“量子互联网”可能在这一基础上得以形成。一旦形成，我们现有的万维网就会被淘汰。
“量子互联网不仅在速度上会有极大的提升，还能避免私人信息被窃取，因此安全上也更加有保障”戴维斯如是告诉《商业内幕》的记者，“使用这种网络，根本无法秘密地进行窃听活动。”
今年7月4日，中国各研究院有近三分之二的科研人员向学术论文预印本网站Arxiv提交了最新研究的论文。虽然这一研究还没有经过同行评议，但在此之前，《科学杂志》在6月15日发表的一篇论文也使用了墨子号量子科学实验卫星。
戴维斯还不能确定量子互联网何时才能上线，以及使用它的潜在后果。他认为，量子互联网可能会和20世纪80年代初互联网刚刚兴起时一样，但是会产生更大的影响力。
互联网兴起之初激起了人们的好奇心，有时甚至使人们陷入一种矛盾的心理状态。但是它却开启了十年之久的创新，当时的秩序逐渐被打破，重塑了我们当代的生活。全面的公共量子互联网也会带来类似的改变。
“量子物理会带来一系列的科技创新：量子互联网、量子信息技术、量子计算机、量子密码学”戴维斯（他并没有参加这项研究）称，“这些技术会纷至沓来，30年到50年以后，世界的运转将由它们主宰。这就是为什么我觉得这篇论文非常有意义。”
利用量子隐形传输的怪异特性
1992年，科研人员在数学上证明了量子传输的可能性，并在1998年使用光子进行试验，证明了这一推测。此后，全世界的科学家们都重新研究这一成果，或在此基础上进一步研究。
量子隐形传输和《星际迷航》中的传送不同，不能将人扫描后在宇宙中另一个地方完美的复制出来。它利用的是两个粒子之间的纠缠状态。两个粒子形成纠缠态以后，再将其分开。只要量子态保持稳定，分开后的粒子仍然保持关联。
量子纠缠可以将两个粒子的状态捆绑起来，如自旋或极化，但是粒子态相对模糊或奇怪，物理上称之为“叠加状态”。“两个粒子形成纠缠态以后，它们应同时处于上旋或下旋的状态，但在被观测时，则总是表现为一个朝上，另一个朝下的状态”。
“这个状态非常奇怪，就是死猫状态和活猫状态的混合体”戴维斯称。
但如果直接对一个粒子做测量（或者推力大一点），它的状态就会显现出来，另一个粒子便会立即显现出相反的状态。两个粒子就好像是在同一时间、同一地点存在的一个粒子。不管它们距离多远，两个粒子总是能“传输”给彼此相反的状态，而且传输速度比光速还快。
爱因斯坦认为量子纠缠实属荒谬，将其称作“幽灵般的超距离作用”。
“爱因斯言并没有接受这种现象”戴维斯称，“他在生命结束以前都没有接受这一事实，但无数次事实已经充分证明了它的存在。”
光子、原子等粒子能够形成纠缠状态，并把状态传输被彼此，其方式和原因不得而知。在极小的层面上，宇宙法则似乎会有违于我们生活的常理，其中一些甚至是矛盾的、不合乎逻辑的。例如在量子力学领域，不是所有的结果都有原因，有时结果出现在原因之前（“这并不是我捏造的”戴维斯称）。
戴维斯还说，我们无法理解量子力学中的一些现象是很正常的，因为“我们并不是生来就要懂得”那些理论及其有违常理的现象。
“但我们在20世纪20年代开始的推测是完全正确的”他说，“这是人类历史上最成功的科学理论。”
几十年如一日的推测和实验始终没能实现从地面到轨道的量子隐形传输。直到现在这一空白终于填补上了。戴维斯认为此次试验将会打破传统的规则。
为什么以及如何将量子传输到太空
想要将量子传输到太空是因为分离量子纠缠的传统方式存在问题。我们习惯上使用的是光纤，互联网在一定程度上也依赖的是光纤。
铺设光纤的成本高、耗时长。而且，光缆越长，其传输的信息就会越失真，量子纠缠也更容易被破坏。即使用激光发射纠缠粒子，在达到一定距离后也会失去作用。大气干扰也会破坏量子纠缠。
“为了解决这个问题，一个比较好的方法就是探索卫星平台和基于外太空的网络”，因为太空基本上是空的，不太会干扰量子纠缠，研究作者写道，“该研究首次建立了地面到太空的联系，可用于进行超远距离量子隐形传输，传输信息保真。这是推进全球量子互联网形成的关键一步。”
为确保此次试验能够成功，科研人员使用的是位于西藏阿里的地面站。地面站纬度较高，与墨子号卫星之间的空气量达到了最少。墨子号卫星于2016年发射，装有非常敏感的光子探测器。此次试验进一步证明，纠缠粒子可以完好地发射到外太空。
为实现粒子纠缠，科研人员使用一种特殊的晶体材料，向其发射紫外线激光，从而产生相反的极化态光子，但是一对粒子分别属于哪一极尚不可知。（极化与偏光太阳镜通过过滤太阳光从而提高对比度的原理相类似）这样做可以产生叫做量子比特的物质。
镜面将激光束分成两半，也将纠缠状态下的光子对分开。该试验以每秒4080对的速度制造出光子对，然后将一个光子留在地面，另一个光子发射到墨子号卫星。
工程师采取了各种防范措施，以保证卫星可以在适当的时间检测到纠缠的光子对，保持地面站有较强的信号。
例如，挡住月球的光，跟踪多颗恒星以确定其在轨道中的准确位置，保持低温操作——因为温暖的物体会释放出红外光——并保证墨子号每晚在同一时间路过近地端。精准的计时器也可以与设备保持同步，从而预测出每个离开路面站地的粒子何时可以到达卫星。
卫星在远地端飞行时距离地面站870英里，在近地端飞行时则只有310英里。
科学家观测，经过约32个夜晚，共有911对光子能够进行量子传输。对于发射出去的数百万光子对来说，这一数字不算多，但这仍然是一个巨大的突破。
如果使用光纤做类似的实验，“我们推测还要等3800亿年（宇宙年龄的20倍）才能见证这一成果”研究作者写道。
未完成的工作
但是形成公共量子互联网，并使之运行起来就没有推算数字那么简单了。
虽然目前已建立起一些小型的量子网络，但它们使用的都是光纤，不是卫星，而且还要借助传统的计算机才能保证速度和安全。
要建成全球的量子互联网，中国及其他实体必须想办法提高量子互联网信号的保真度。我们还需要价格合理、可靠并且有商业价值的量子计算机和量子路由器，才能充分发挥量子互联网的速度和安全性能。
就安全而言，必须有人研究出“量子密钥”，保证量子比特可以安全地来往于外太空。量子密钥将淘汰其他所有形式的密钥，因为它是在自然形态下随机产生的，所以无法被攻破。（如果窃听量子加密的数据，量子纠缠就会遭到破坏，从而自动报错。）
戴维斯认为，这些技术还要等很多年才能实现。一旦形成，所有人都会从中受益，不只是我们的全球公共网络会得到改善。
“我们现在所做的一切都会越来越好”他说，“笔记本电脑的速度会更快，在Netflix上下载会更快，原本用10个小时下载的内容可能10秒钟就可以完成。世界上每家医院都可能有你完整的病历，而且也非常安全。”
更重要的是——“每趟航班，航空公司卖出的机票都能和座位数是一致的。”
作者：Dave Mosher
本文由世界经济论坛与Business Insider联合发布
(2017-08-15)
出品：科普中国
制作：中国科学技术大学 郭光灿 中国科普博览
监制：中国科学院计算机网络信息中心
中国科学院日前召开新闻发布会，宣布量子科学实验卫星“墨子号”在国际上首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态，两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。
至此，“墨子号”提前圆满实现全部三大既定科学目标，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。
量子号科学实验任务（来源网络）
我们知道量子卫星有三大任务：通过量子卫星实现卫星和地面的量子密钥分发，从而实现广域的量子保密通信；对量子力学本身的基本原理进行检验的实验任务；连接中国和奥地利之间的量子通信网，以证明全球规模的量子通信网络设想是可行的。
我们知道量子通信作为迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，在金融、军事和政务等领域的应用前景得到了世界各国的广泛关注，那么这种保密措施通过何种方式实现？本次达成的量子密钥分发成就与量子通信又有什么关系？
量子密钥分发是什么？
保密通信是密码学的重要内容，其基本原理是采用密钥（0，1的随机数列）通过加密算法将甲方要发送的信息（明文）变换成密文，在公开信道上发送到合法用户乙方处，乙方采用密钥从密文中提取所要的明文。
量子密码（图片来源于网络）
如果甲乙双方采用相同的密钥（即）则称为对称密码或私密密码。如果相反，则称为非对称密码或公开密码，其中公开密钥只为乙方私人拥有。如果任何窃听者在不知晓密钥却可以从秘文提取出明文，则这种密码体系是不安全的。
密钥使用流程（来源网络）
那么有没有令所有专家都无法破解的密码？有！
早在上世纪四十年代，著名的信息论鼻祖香农采用信息论严格证明，如果密钥长度与明文长度一样长，而且用过后不再重复使用，则这种密文是绝对无法破译的，俗称为“一次一密”。
那么为何这种“一次一密”的密码未被推广使用呢？原来 “一次一密”要大量消耗“密钥”，需要甲乙双方不断地更新密码本，而“密码本”的传送（称为“密钥分发”）本质上是不安全的。采用不安全的密钥来实施“一次一密”加密仍然是不安全的。
那么是否有什么办法可以确保密钥分发是安全的？
有，这就是“量子密钥分发”（缩写为“QKD”）！
量子密钥分发的优势
“量子密钥分发”应用到量子力学的基本特性（如量子不可克隆性，量子不确定性等）来确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现，这是QKD比传统密钥分发所具有的独特优势，后者原则上难于判断手头的密码本是否已被窃听者复制过。
QKD的另一个优点是无需保存“密码本”，只是在甲乙双方需要实施保密通信时，实时地进行量子密钥分发，然后使用这个被确认是安全的密钥实现“一次一密”的经典保密通信，这样可避开保存密码本的安全隐患。
量子密钥分发的过程
量子密钥分发的过程大致如下：单个光子通常作为偏振或相位自由度的量子比特，可以把欲传递的0，1随机数编码到这个量子叠加态上，比如，事先约定，光子的圆偏振代表1，线偏振代表0。光源发出一个光子，甲方随机地将每个光子分别制备成圆偏振态或线偏振态，然后发给合法用户乙方，乙方接收到光子，为确认它的偏振态（即0或1），便随机地采用圆偏光或线偏光的检偏器测量。
如果检偏器的类型恰好与被测的光子偏振态一致，则测出的随机数与甲所编码的随机数必然相同，否则，乙所测得的随机数就可能与甲方发射的不同。乙方把甲方发射来的光子逐一测量，记录下测量的结果。然后乙方经由公开信道告诉甲方他所采用的检偏器类型。
这时甲方便能知道乙方检测时哪些光子被正确地检测，哪些未被正确地检测，可能出错，于是他告诉乙方仅留下正确检测的结果作为密钥，这样双方就拥有完全一致的0，1随机数序列。
量子密钥分发图示（来源网络）
如果有窃听者在此过程中企图骗取这个密钥，他有两种策略：一是将甲发来的量子比特克隆后发给乙方。但量子不可克隆性确保窃听者无法克隆出正确的量子比特序列，因而也无法获得最终的密钥。
另一种是窃听者随机地选择检偏器，测量每个量子比特所编码的随机数，然后将测量后的量子比特冒充甲方的量子比特发送给乙方。按照量子力学的假定，测量必然会干扰量子态，因此这个“冒充”的量子比特与原始的量子比特可能不一样，这将导致甲乙双方最终形成的随机数序列出现误差，他们经由随机比对，只要发现误码率异常地高，便知有窃听者存在。
量子密钥分发和量子通信的关系
上述的保密通信，实质上是“一次一密”的经典通信，只是密钥是由QKD生成的，通常也称为量子保密通信。
量子密码是量子通信吗？答案是否定的！
所谓“通信”简单地说就是传递信息（即“明文”）。量子密码只是传送经典随机数而已，不包含有任何信息内容，因此，与“通信”无关。量子保密通信实际上包括由QKD生成的安全密码和“一次一密”经典通信两个部分，本质上仍然是经典通信。
真正的“量子通信”有其确切的内涵，即将信息编码在量子比特上，在量子通道上将量子比特从甲方传给乙方，直接实现信息的传递。那么这种真正的“量子通信”离我们究竟还有多远？
开启量子通信新时代
随着量子卫星的发射升空和下半年“京沪干线”的完工，中国的广域量子通信体系为率先建成全球化的量子通信卫星网络奠定了基础，“天地一体化”的量子通信网络即将铺就，历经30余年的量子信息研究也将步入深化应用的时代。也许就在不远的将来，量子通信技术将如同手机、电脑一般，走入寻常百姓家。
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(2017-08-11)
引言：中国科学技术大学潘建伟教授，及同事彭承志、张强等组成的研究小组，在国际上首次成功实现了白天远距离(53km)自由空间量子密钥分发。
最近，来自于中国科学技术大学的潘建伟教授，以及同事彭承志、张强等组成的研究小组，在青海湖相距53公里的两点间，完成了白天阳光背景下的量子密钥分发实验。通过地基实验，在信道损耗和噪声水平方面，有效验证了未来构建基于量子星座的星地、星间量子通信网络的可行性。
国际权威性学术期刊《自然·光子学》，在不久前也刊登了这一成果。
基于卫星平台的量子通信是构建，全球量子通信网络最为可行的方法。全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，目前已经成功实现了首次星地量子通信，为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究奠定了技术基础。但是，由于阳光噪声的影响，“墨子号”卫星只能在夜晚工作，这样一来至少需三天才能完成全球范围内地面站点的覆盖。
为抑制白天阳光背景噪声，潘建伟团队从三个方面发展关键技术：
1、阳光背景噪声主要包括太阳光直射部分和经大气分子散射部分，太阳光谱中1550纳米波段光子成分较低，大气散射对该波段散射也较小，利用这个特点采用1550纳米波段光子开展实验，优化光学系统，将噪声降低超过一个数量级；
2、发展频率上转换单光子探测技术，在保持单光子高效探测的同时，实现了光谱维度的窄带滤波，降低噪声约两个数量级；
3、发展自由空间光束单模光纤耦合技术，实现了高效耦合和空间维度的窄视场滤波，降低噪声约两个数量级。
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(2017-07-26)