Quantum Communication
BB84协议量子密钥分发墨子号量子中继
Candies 量子通信
基于量子物理定律的信息论安全通信——从密钥分发到量子互联网
量子通信利用量子不可克隆定理与海森堡不确定性原理，实现理论上无法被窃听的安全通信。Candies 量子技术域以 QKD 协议族（BB84、E91、MDI-QKD、TF-QKD）为核心，结合墨子号卫星、京沪干线等重大工程，全面呈现量子通信从点对点链路到全球量子互联网的演进路径。
核心指标
- 2000+km
京沪干线距离
- 1200km
墨子号QKD距离
- 830km
TF-QKD无中继
- 3+厂商
商用QKD设备
Core technologies
核心能力矩阵
从聚变能源到太空太阳能，全栈能源技术能力覆盖基础研究到工程落地。
量子密钥分发
QKD利用单光子的量子态传输密钥比特。发送方(Alice)随机选择基矢制备偏振光子，接收方(Bob)随机选择基矢测量，通过经典信道比对基矢后保留一致结果作为密钥。任何窃听者(Eve)的测量必然引入约25%的误码率，超过11%阈值即判定存在窃听。BB84协议已从理论走向商业化部署，ID Quantique、东芝等公司提供商用QKD设备。
- BB84误码阈值 ~11%
- 商用设备厂商 IDQ/东芝/国盾
量子隐形传态
量子隐形传态利用预先共享的EPR纠缠对和两个经典比特，将发送方未知量子态|ψ⟩精确传输到接收方。过程包括：Bell测量(将待传态与纠缠对之一联合测量)、经典通信(传输2bit测量结果)、酉变换(Bob根据结果恢复量子态)。实验距离从1997年首次演示到2017年墨子号1400km星地隐形传态，已验证长距离量子态传输的可行性。
- 实验距离 1400km
- 保真度 >80%
量子中继器
量子中继器通过纠缠分发-纠缠交换-纠缠纯化三步操作实现长距离量子通信。①纠缠分发：在相邻中继节点间建立纠缠对；②纠缠交换：通过Bell测量将A-B和B-C两段纠缠连接为A-C长距离纠缠；③纠缠纯化：从多对低保真度纠缠中提取少量高保真度纠缠对。量子存储器(相干时间>1s)是实现量子中继的核心挑战，冷原子系综和稀土掺杂晶体是主要技术路线。
- 关键组件 量子存储器
- 存储相干时间 >1s
卫星量子通信
卫星量子通信利用低轨卫星作为可信中继或纠缠源，突破地面光纤的地理和损耗限制。墨子号卫星(轨道高度500km)实现了三大科学目标：星地QKD(1200km)、星地纠缠分发(1200km)和地星量子隐形传态(1400km)。下一代量子卫星将搭载量子存储器，实现真正的星地量子中继，并向量子互联网星座方向发展。
- 墨子号 2016年
- 星地QKD距离 1200km
Architecture
量子通信网络架构
从量子物理层到应用层的五层量子互联网架构——量子物理层通过光纤/自由空间传输量子态，链路层通过量子中继扩展距离，网络层实现量子路由与纠缠交换，传输层管理量子密钥分发会话，应用层提供量子安全通信与分布式量子计算服务。
量子物理层
单光子源(量子点/参量下转换)产生量子态，单光子探测器(SNSPD超导纳米线/InGaAs雪崩二极管)接收。光纤QKD城域距离<100km(无中继)，自由空间QKD通过卫星实现千公里级传输。信道损耗是核心挑战：光纤衰减约0.2dB/km。
量子链路层与中继
量子中继器通过三步操作突破距离限制：①纠缠分发——在相邻节点间建立纠缠对；②纠缠交换——通过Bell测量将短距离纠缠连接为长距离纠缠；③纠缠纯化——从多对低保真度纠缠中提纯出高保真度纠缠对。量子存储器(冷原子/固态NV色心)是量子中继的核心器件。
量子网络层
量子路由器基于纠缠交换实现量子态的多跳转发。量子网络需要经典信道辅助完成Bell测量结果传输和路由协议。城域量子网络(如北京-天津、维也纳量子网络)已实现多节点互联，洲际网络通过卫星中继连接。
QKD协议与密钥管理层
BB84协议(制备-测量模式)提供信息论安全密钥分发，误码率阈值约11%。MDI-QKD消除探测器侧信道攻击。TF-QKD(双场QKD)突破密钥率-距离限制，实现830km光纤QKD。密钥生命周期管理包括生成、分发、存储、更新和销毁全流程。
应用与服务层
量子安全通信服务提供一次一密(OTP)加密的端到端安全通信。量子数字签名确保消息完整性和不可否认性。分布式量子计算通过量子网络连接远程量子处理器，扩展计算规模。量子传感网络利用纠缠态实现超精密分布式测量。
Comparison
行业对照
与传统方案关键指标对比。
| 指标 | Quantum Technology | 传统方案 |
|---|---|---|
| 安全基础 | QKD 基于量子力学定律，信息论安全，不依赖计算假设领先 | 经典加密基于计算复杂度假设(RSA/ECC)，量子计算可破解 |
| 窃听检测 | 量子态测量引入可检测误码，任何窃听行为必然暴露领先 | 经典通信无法感知窃听，中间人攻击难以实时发现 |
| 密钥更新 | QKD 实时连续生成新密钥，密钥泄露窗口极短(ms 级)领先 | 经典 PKI 密钥轮换周期长(数月至数年)，密钥泄露窗口大 |
| 传输距离 | 光纤QKD无中继约500km，卫星QKD可覆盖全球，量子中继正在发展领先 | 经典光通信无中继传输距离可达数千公里(EDFA 放大器) |
| 密钥速率 | 当前QKD密钥速率：城域Mbps级，长距离kbps级，持续提升中领先 | 经典密钥交换(AES session key)速率无实质限制 |
| 网络拓扑 | QKD 网络以点对点链路为主，可信中继节点构成骨干网，量子交换机在研领先 | 经典网络支持任意拓扑(树形/网状/环形)，路由协议成熟 |
| 中继方案 | 量子中继基于纠缠交换+量子存储，目前实验室阶段，距离实用尚需 5-10 年领先 | 经典光放大中继(EDFA)成熟，信号无损再生 |
| 多用户并发 | QKD 点对点链路独占，多用户需波分复用或时分复用，容量受限领先 | 经典加密支持海量并发连接(TLS 握手 ~ms)，弹性扩展 |
| 抗干扰能力 | 量子信道对光纤损耗和环境噪声敏感，需精密温控和振动隔离领先 | 经典通信可加密+跳频+扩频，抗电磁干扰能力强 |
| 标准化程度 | QKD 标准化进行中(ETSI/ITU-T/ISO)，设备互通性和安全认证仍在推进领先 | 经典加密标准完善(NIST/ISO/IETF)，全球互操作 |
Roadmap
研发路线图
从基础研究到工程验证的关键里程碑与项目节点。
- 理论奠基已完成
BB84 协议提出
Charles Bennett 和 Gilles Brassard 提出 BB84 量子密钥分发协议，利用量子不可克隆定理实现信息论安全的密钥交换，开创量子密码学领域。BB84 协议至今仍是使用最广泛的 QKD 协议。
- 空间量子通信已完成
墨子号量子卫星发射
中国发射全球首颗量子科学实验卫星墨子号，实现千公里级星地量子密钥分发、纠缠分发和量子隐形传态三大科学目标，将量子通信距离从百公里级扩展至千公里级。
- 骨干网建设已完成
京沪量子保密通信干线开通
连接北京-上海的2000+公里量子保密通信骨干干线正式开通，沿途设置32个中继站，通过可信中继实现跨域量子密钥分发，服务金融、政务等高安全需求场景。
- 网络互联进行中
量子互联网原型网络
全球多国推进城域量子互联网原型建设：美国芝加哥量子网络(124km纠缠分发)、欧洲EuroQCI泛欧量子通信基础设施、中国武合干线扩展。目标实现量子存储器驱动的全量子中继网络。
Use cases
应用场景
从量子计算到量子传感，覆盖量子技术全应用域。
- 金融安全
银行间量子加密通信
银行间核心交易数据通过QKD一次一密加密传输，杜绝中间人窃听与未来量子计算破解风险，保障金融数据长期安全
- 金融安全
证券交易防篡改
量子数字签名确保高频交易指令的完整性和不可否认性，量子随机数生成器为交易系统提供不可预测的随机源
- 政务与国防
机密信息传输
政府机密文件、外交电报和军事指挥控制信息通过量子保密通信网络传输，实现理论上不可破解的信息安全
- 政务与国防
关键基础设施保护
电力系统SCADA、交通信号控制和通信基础设施的控制指令通过QKD加密，防止国家级网络攻击和基础设施破坏
- 云计算与数据中心
数据中心量子安全互联
跨数据中心的备份和同步流量通过QKD加密，确保云端数据在传输过程中的长期安全性，抵御未来量子计算威胁
- 云计算与数据中心
量子安全VPN
基于QKD的量子安全VPN为企业远程办公和跨区域通信提供端到端加密，密钥实时更新，单次泄露不影响历史通信安全
Case studies
案例研究
量子技术从实验室到产业落地的真实案例前后对比。
空间量子通信
墨子号千公里级星地QKD
中国科学技术大学潘建伟团队利用墨子号量子卫星作为可信中继，实现卫星与地面站之间1200公里的量子密钥分发，密钥生成速率可达kbps级，是地面光纤QKD距离的10倍以上。
- 之前
- 光纤QKD无中继距离受限于约100-300km，城际量子通信需要大量可信中继节点
- 之后
- 卫星QKD覆盖1200km，一次过境可生成数十kbit安全密钥，突破地面距离限制
- 1200km QKD距离
- kbps级 密钥速率
量子通信基础设施
京沪量子保密通信干线
全长2000+公里的京沪量子保密通信干线连接北京、济南、合肥、上海四大城域网络，通过32个可信中继节点实现跨域密钥分发，已为银行、证券和政府机构提供量子安全通信服务。
- 之前
- 城域间通信依赖经典加密，无法抵御未来量子计算攻击
- 之后
- 2000+km量子保密干线覆盖四大城市，日均生成密钥量可保障万级加密通信会话
- 2000+km 干线长度
- 32个 中继站
量子通信前沿研究
TF-QKD 830km 光纤量子通信
中国科学技术大学实现双场量子密钥分发(TF-QKD)在830km光纤上的安全密钥分发，突破传统QKD密钥率-距离限制，为无量子中继的超长距离光纤量子通信开辟新路径。
- 之前
- 传统BB84协议在光纤中无中继距离约300-500km，密钥率随距离指数衰减
- 之后
- TF-QKD协议下实现830km安全密钥分发，密钥率仅随距离平方根衰减
- 830km 传输距离
- TF-QKD 协议
Quantum Communication
量子通信技术
QKD 协议族、量子隐形传态、量子中继器与量子互联网架构——从点对点到全球量子网络。
QKD 协议体系
BB84(1984，制备-测量模式，信息论安全，误码阈值11%)是经典QKD协议；B92(1992)仅用两个非正交态简化实现；E91(1991)基于纠缠态和Bell不等式检验，安全性可设备无关验证；MDI-QKD(2012)通过第三方测量消除探测器侧信道攻击，是目前安全性最高的实用QKD协议；TF-QKD(2018)双场方案突破密钥率-距离线性衰减限制，实现830km无中继光纤QKD。
量子互联网架构
量子互联网五阶段发展路线：①可信中继QKD网络(当前阶段，京沪干线)→②端到端量子网络(量子存储器驱动的全量子中继)→③量子存储网络(支持量子态缓存与转发)→④容错量子互联网(量子纠错保护长距离量子通信)→⑤全量子互联网(分布式量子计算与传感)。五层架构模型从物理层(光纤/自由空间)到应用层(量子安全通信/分布式量子计算)。
全球量子通信项目
中国：墨子号卫星(2016)+京沪干线(2017)+武合干线+济南/合肥/上海城域网，全球最大的量子通信基础设施网络。欧洲：量子旗舰计划(10亿欧元)+EuroQCI泛欧量子通信基础设施(27国)+OpenQKD项目。美国：国家量子倡议(NQI)+量子互联网蓝图+芝加哥量子网络(124km)。日本：SOCRATES卫星+东京量子网络。加拿大：QEYSSat量子卫星计划。
光纤 vs 卫星技术路线
光纤QKD优势：密钥速率高(Mbps级)、不受天气影响、可与现有光网络复用，适合城域和城际高吞吐安全通信。局限：衰减0.2dB/km限制无中继距离约500km。卫星QKD优势：全球覆盖、突破地理限制，适合洲际和偏远地区通信。局限：受天气(云层)影响、密钥速率较低(kbps级)、需要卫星发射和运维成本。两路线互补：城域用光纤，洲际用卫星，通过天地一体化网络实现全球量子安全通信。
FAQ
常见问题
关于量子技术的核心问题与解答。