量子通信主要涉及量子隐形传态和量子密钥分发两类。量子隐形传态可以看着为真正的量子通信，而量子密钥分发完成的功能则实质上是对现有通信方式进行加密的一种技术手段。

量子密钥分发是借助对量子叠加态的传输与测量，获取共享的安全的量子密钥，然后通信双方均使用与明文等长的密码进行逐比特信息加密解和密操作，实现无条件juedui安全的保密通信。

1、量子密钥的产生与分发

如下图（a）所示为传统加密通信的步骤：先由发信者A写好明文，然后通过加密算法和密钥，对明文进行一定的数学运算后编制成密文，再由通信传输信道将密文传递给收信者B，B通过加密算法的逆运算和密钥，把密文翻译还原成明文。这种加密通信的关键要素是密钥。对于第三方来说，可以通过有线或无线电波截获密文。如下图（b）所示在从光纤截获数据时，可以通过弯曲光纤获取外泄部分光信号进行窃听。但如果没有密钥，窃听到的密文是难以理解的。用来加密信息的密钥最初是密码本，后来演进为密码机、RSA等加密算法。但随着超级计算机越来越强大的算力，破解算法的速度也越来越快。在这种情况下，没有任何密钥是juedui安全的。再复杂的算法，破解起来只是时间和资源的问题。

为了做到信息的真正的juedui安全传输，信息论创始人克劳德.香农经过严格的理论证明认为需要满足三个条件：其一是密钥是随机的；二是密钥只使用一次；三是密钥与明文等长且按位进行二进制异或操作。要做到这三点就需要大量的密钥，而密钥的更新和分配存在被窃听的可能性。所以，不解决密钥分发的问题，就不可能实现无条件安全。这也导致了在香农发布这一成果之后，根本没有人能够使用这种方式。而量子密钥分发，则可解决这个问题！

1984年，IBM公司的研究人员Bennett和蒙特利尔大学的学者Brassard在印度召开的一个国际学术会议上提交了一篇论文《量子密码学：公钥分发和拋币》，被称为BB84协议。该协议把密码以密钥的形式分配给信息的收发双方，因此也称作量子密钥分发。具体的方法如下：

（1）选取测量基和偏振光  利用光子有相互垂直两个偏振方向的特性，让单光子源每次生成的单个光子只有0°、90°、45°、135°四种可能的方向。然后简单选取水平或垂直或对角的测量方式对单光子进行测量，所采用的测量方式被称之为测量基，如图下图所示。

当测量基和光子偏振方向一致，就可以得到1或0的结果；当测量基和光子偏振方向偏45°，就有50%的概率得到1或0。如下图所示。

（2）生成一组二进制密钥  发送方首先随机生成一组二进制比特0、1码。例如：01100101。然后发送方对每个比特，随机选择测量基。例如下图(a)所示。所以，发送的偏振光子分别是下图（b）中虚框中所示的偏振方向。

(3)接收方选择测量基并对输入光进行测试  接收方收到这些光子之后，随机选择测量基进行测量，例如依次选择图(c)所示测量基，则对输入偏振光的测量结果为图(d)虚线框内所示。

(4)获取最终密钥  发收双方通过传统方式进行通信，对比双方的测量基，仅将测量基相同的数据保留，不同的抛弃。保留下来的数据1001就是最终的密钥，如下图所示。

2、量子密钥的安全性

如果存在一个窃取者只窃听到发方和收方对比测量基，那窃取者会得到这样的信息：不同|不同|相同|相同|不同|不同|相同|相同。这个对他来说，没有任何意义。

因为量子的不可克隆性，窃取者没有办法复制光子，因此只能抢在收方之前进行测量。测量时他也要随机选择自己的测量基，如果是测量刚才那一组光子，他有一半的概率和发方选择一样的测量基，这对光子偏振方向无影响，还有一半的概率，会导致光子改变45°偏振方向，而这改变的部分将影响接收方的测量准确率。在没有窃取者的情况下，发和收之间采用相同测量基的概率是50%。所以，发和收之间拿出一小部分测量结果出来对比，有50%相同。有窃取者的情况下，发和窃取者之间采用相同测量基的概率是50%。收和窃取者之间采用相同测量基的概率是50%。所以，发和收之间拿出一小部分测量结果出来对比，有25%相同。由此，可以判定一定有人在窃听。通信停止，当前信息作废。

对于单个比特来说，窃取者有25%的概率不被发现，但是现实情况juedui不止1个比特，而是N个数量级的比特，所以，窃取者不被发现的概率就是25%的N次方，也就是窃取者不被发展的概率极低。因此，量子密钥分发使通信双方可以生成一串juedui保密的量子密钥，用该密钥给任何二进制信息加密，都会使加密后的二进制信息无法被解密，这就从根本上保证了传输信息过程的安全性。

3、量子通信的应用

由于量子通信juedui安全的特性，量子通信在军事通信、政府保密通信、民用通信上都将带来颠覆性的变革，未来市场乐观。在国民经济领域，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。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了崭新途径；利用量子隐形传态以及量子通信juedui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。下图所示为已全线贯通，连接了包括北京、济南、合肥和上海等地城域网的量子通信“京沪干线”。

传统经典的计算机所完成的所有计算，都是将数据转换成二进制代码，然后存放在存储中并进行基于晶体管所构成的逻辑电路的计算。随着集成电路工艺接近1nm线宽，PN结也越来越薄，导致许多载流子可以穿过PN结造成漏电，这样集成电路中晶体管也就难以维持0或1状态，计算机的硬件发展也就走到了尽头。目前一种挖掘计算机潜力的办法是采用碳半导体取代硅半导体，利用碳半导体的电子比硅半导体中的电子更稳定的特点来减少载流子穿越PN结，从而使PN结可以做得更薄，集成电路的集成度可以做得更高。然而PN结的宽度总会是有限的，因此计算机的硬件发展总会走向尽头。随着近年来量子力学的进展，人们越来越多的关注量子计算，希望从中找到新的突破。

量子计算的概念最早由IBM的科学家R.Landauer及C.Bennett于20世纪70年代提出，他们主要探讨的是计算过程中诸如自由能、信息与可逆性之间的关系。20世纪80年代初期，美国阿岗国家实验室的P. Benioff提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算；稍后费因曼也对这个问题产生兴趣而着手研究，并在1981年于麻省理工学院举行的一场演讲中，勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985年，牛津大学的D. Deutsch提出量子图灵机的概念，量子计算才开始具备了数学的基本形式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质，还停留在相当抽象的层次，尚未进一步跨入发展算法的阶段。目前的量子计算被看作是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的理论模型基于通用图灵机的计算机，通用的量子计算机的理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。

1、量子比特并行存储

量子位或称量子比特（qubit）是量子计算的理论基石。在经典的计算机中，信息单元用二进制的比特位（bit）来表示，它不是处于0态就是处于1态。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数00、01、10、11中的一个。类似地，N位经典存储器只能存储2N个可能数据中的任一个。

在二进制量子计算机中，信息单元称为量子位，它除了处于0态或1态外，还可处于叠加态。根据量子力学态叠加原理，量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，如公式所示的|量子比特> = a|0> + b|1>。

叠加态是0态和1态的任意线性叠加，它既可以是0态又可以是1态，0态和1态各以一定的概率同时存在，即是说可以同时处于两种状态而不是单一状态。通过测量或与其他物体发生相互作用而呈现出0态或1态。任何两态的量子系统都可用来实现量子位，例如氢原子中的电子的基态和第1激发态、质子自旋在任意方向的+1/2分量和-1/2分量、圆偏振光的左旋和右旋等。

量子计算机中的2位量子比特或叫量子位（qubit）寄存器，可同时存储00、01、10、11这四种状态的叠加状态。类似地，N位量子存储器可以同时存储2N个数，而且随着N的增加，其存储信息的能力将按指数上升。例如一个由250个原子构成的量子比特存储器，可能存储的数量达到2250个。

2、量子比特的并行运算

如果把量子考虑成磁场中的电子，电子的旋转可能与磁场一致，称为上旋转状态，或者与磁场相反，称为下旋状态。如果我们能在消除外界影响的前提下，用一份能量脉冲能将下自旋态翻转为上自旋态，那么，我们用一半的能量脉冲，将会把下自旋状态制备到一种下自旋与上自旋叠加的状态上，这时电子处在每种状态上的概率为二分之一。这表明量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，即1个量子比特可以同时存储0和1。对于n个量子比特而言，它可以承载2n次方个状态的叠加状态。而量子计算机的操作过程被称为幺正演化，幺正演化将保证每种可能的状态都以并行的方式演化。这意味着量子计算机如果有500个量子比特，则量子计算的每一步会对2500种可能性同时做出了操作。2500是一个很大的数，它比地球上已知的原子数还要多。这是真正的并行处理，当今的经典计算机，所谓的并行处理器仍然是一次只做一件事情，这也是量子计算机具有难以想象算力的机理所在。如下图所示为目前我国研制出的62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，用最短1.2个小时就能完成世界最强的超级计算机8年才能完成的任务。