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DETAIL · 05 · QUANTUM COMMUNICATION
量子通信不是「更快」的经典通信。它的优势是把信息保护建立在物理定律之上——不可克隆 + 测量塌缩,使窃听必然留下可被检测的痕迹。
两条物理定律 + 一条工程结果
- 不可克隆 未知量子态无法完美复制 → 攻击者无法「拷贝一份再转发」。
- 测量塌缩 任何窃听都扰动量子态 → 接收方可在比对中发现异常。
- 工程结果 在 QKD 中,安全性来自物理定律本身,而不是计算复杂度——这意味着它能抗未来量子计算机的反向破解。
QKD 协议家族
Table · 015 rows
协议
年份
核心思想
- 01BB841984随机基 + 单光子偏振编码 (Bennett & Brassard)
- 02E911991纠缠对 + Bell 不等式检验 (Ekert)
- 03诱骗态2003在 BB84 基础上加入诱骗光子,对抗多光子攻击
- 04MDI-QKD2012测量设备无关,对探测器侧信道免疫
- 05TF-QKD2018Twin-Field,密钥率突破 PLOB 线性界
密钥率公式
Formula · 01
R_{\text{key}} \propto \nu_s \cdot \eta_{\text{ch}} \cdot \eta_{\text{det}} \cdot f_{\text{ec}}密钥率与源速率 ν_s、信道效率 η_ch、探测效率 η_det、纠错效率 f_ec 成正比。地月段 η_ch 受波束发散主导;跨星节点必须引入量子中继才能维持。
量子隐形传态 = 1 qubit 信息 + 2 bits 经典 + 1 对纠缠
Alice 持有未知态 |ψ⟩,与 Bob 共享一对纠缠 |Φ⁺⟩。Alice 对 |ψ⟩ 与本地纠缠半边做贝尔基测量得到 2 经典比特并发送给 Bob;Bob 用这 2 经典比特在本地半边上施加一组 Pauli 修正即可重建 |ψ⟩。原始 |ψ⟩ 在 Alice 处随测量塌缩。
Formula · 02
|\psi\rangle_A \otimes |\Phi^+\rangle_{AB} \xrightarrow{\text{Bell measure} + 2\text{cbits}} |\psi\rangle_B信息从 A 转移到 B,但传送过程「不快于光」——经典比特必须先到。这是量子通信与经典通信耦合的地方。
为什么深空更适合 QKD
- 信道纯净 地月之间无大气散射;自由空间光通信链路预算友好。
- 时延友好 地月往返 ~2.56 s;QKD 在传输前完成密钥协商,时延对安全性无影响。
- 存储攻击免疫 经典加密信道可能被拦截存储、未来用量子计算反破;QKD 在分发时刻即获无条件安全。
- 与计算耦合 月面量子节点同时是计算站与中继;纠缠分发可同时支撑安全通信与分布式量子计算。
标杆任务参考
Table · 024 rows
任务
年份
里程碑
- 01NASA LLCD2013月球到地球 622 Mbps 经典激光下行
- 02LCRD(NASA)2021地球同步轨道经典激光链路验证
- 03墨子号2017–2018天地 QKD + 千公里量级纠缠分发
- 04Micius-Vienna2018洲际 QKD 视频会议演示
References
- Bennett, C. & Brassard, G. (1984) Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing.
- Ekert, A. (1991) Quantum cryptography based on Bell's theorem.
- Pirandola et al. (2017) Fundamental limits of repeaterless QKD.
- Liao, S. et al. (2017) Satellite-to-ground QKD. Nature.
- NASA Laser Communications Relay Demonstration (LCRD).