量子通訊在中國發展得紅紅火火，特别有一位叫潘建偉的科學家，帶領其團隊取得了一個又一個突破，走在了世界的前列。有人歡呼，也有人反對和冷嘲熱諷。

那些反對的人主要是說，量子通訊就是扯淡，是玩概念，根本不可能實現。其中懷疑最大的就是單光子發射和接收，認為光子是世界上最小的東西，到底多小至今無人知道，人類怎麼可能能夠捉住一個光子發射出去呢？

但事實是，量子通訊還真的就是依靠一個個單光子傳輸，這樣才能夠獲得無法破解的保密性。但這個單光子并非某些人憑生活常識想象的那樣，像捉豆子那樣一個個捉到，再把它通過某種彈弓類裝置發射出去。

量子通訊的三大核心技術為：單光子源技術、量子編碼和傳輸技術、光子檢測技術。這其中最重要的就是“捉住”單光子，并把它傳輸出去。這是如何實現的呢？我們來分享一下。

光子是光量子的簡稱，是傳遞電磁相互作用的媒介子，是一種基本粒子，具有規範玻色子性質。光量子的概念是愛因斯坦于1905年首先提出，1926年由美國物理化學家吉爾伯特·路易斯正式命名。

1901年，德國物理學家普朗克發現物質發出能量和吸收能量具有不連續性特征，提出能量是一份一份發出的能量子假設，并計算出了最小能量的常量，被稱為普朗克常量，這是量子力學的開山之作。

愛因斯坦從普朗克量子理論中得到啟發，1905年發表了《關于光的産生和轉化的一個試探性觀點》的論文，認為光和原子電子一樣也具有粒子性，提出“光量子”理論，完美地解釋了光電效應，創立了光電效應定律，由此獲得1921年諾貝爾物理學獎。

光子具有所有基本粒子共有的特性，即波粒二象性，以波的形式傳播，且是一份一份非連續發出。光子一出生就以每秒約30萬千米真空速度運動，永遠不會停下來，因此沒有靜質量，但有動量。每個光子能量為：E=hv=hc/λ，即能量E等于普朗克常數乘以頻率。

普朗克常數約等于6.626*10^-34J/s（焦耳/秒）；每個光子的動量為：p=E/c=h/λ。這幾個公式裡的λ表示波長，c表示光速，v表示頻率，E表示能量，p表示動量。

由此可以看出，各種光子的能量是不同的，波長越短頻率越高的光子能量就更強，反之則更弱。光子是宇宙中數量最多的存在，無論是白天還是黑夜，在我們周圍都充滿了光子，随便手一拍，就有無數的光子打在我們的手心手背上。

我們人類感受這個世界完全是依靠電磁波，也就是所謂的電磁相互作用力，而光子就是電磁波的傳遞媒介，因此電磁波也可以說是光波的總稱。電磁波波長從長到短分别被人們劃分為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。

這些“光波”人類肉眼隻能看到可見光部分，其餘波段和頻率的“光波”隻能用儀器偵測。電磁波的波長從數公裡到10^-30米（億億億分之一米以下）不等，無線電波（包括長波、中波、短波、微波）最長，頻率最低，能量最弱；伽馬射線波長最短，頻率最高，能量最強。

電磁波波速為光速，因此波長與頻率的關系遵循公式：λ=c/v或v=c/λ。

光子極小，而且極多，一支10瓦的燈泡，發出的能量約10J/s，如果這10J的能量發出的都是可見光波段的話，其波長就約在380~760nm之間，我們去一個平均值為570nm，根據前面的公式，就可以計算出每個光子能量約為3.5*10^-19J，1個10J的燈泡每秒鐘發出的光子數就有約2.86*10^19個，就是28.6億億個光子。

光本身就攜帶能量，因此用光通訊早就是常用的方法了。但所謂量子通訊，與常規通訊的最大區别就是安全，是采用單光子傳輸，理想的單光子源就是每個脈沖中僅含1個光子。

前面說了，随便一束光都有無數光子，科學家們如何從這麼多的光子中，把光子分成1個個分發出去呢？這就需要制造單光子源的機器。現代科技要制造出單光子源并不難，難的是高質量高效率的單光子源。

理論上，隻要通過不斷将一個既定能量的光脈沖不斷衰減，就能得到所謂的單光子源。如脈動激光器，每個脈沖能量都是一定的，我們知道了既定波段或頻率的光子能量，就能夠計算出每個脈沖發出的光子數量，通過采用衰減片，将光束衰減足夠的倍數，就能夠達到每個脈沖所需發出的光子數了。

如某個脈沖激光發射器，原來每個脈沖發出100萬個光子，把這束光衰減1000萬倍，這樣每個脈沖平均發射的光子就隻有0.1個了，也就是10個脈沖裡可能有1個脈沖會有1個光子，其他9個脈沖沒有光子，這樣這個脈沖激光器就成為單光子源了。

這種方法理論上還可以再稀釋光子倍數，如稀釋1億倍甚至10億倍，這樣，就可能在100個甚至1000個脈沖裡出現1次2個光子現象，這樣似乎單光子獲得率大大提升了。

目前，實驗室的單光子源絕大多數是采用這種方法。但這種單光子源光子數服從泊松分布，嚴格來講很難實現高效率單光子脈沖。因為這個随機過程并不會以人的意志為轉移，有時候會出現1個脈沖包含2個光子的情況，這樣就降低了量子通訊的可控性和安全性。

衰減倍數越大，得到單光子的概率會提高，但沒有光子的空脈沖就越多，效率就大大降低了。因此，這種傻瓜式的精度提升，與效率背道而馳。

所以，一個完美的單光子源，需要同時滿足确定性偏振、高純度、高全同性和高效率，這是四個幾乎相互矛盾的嚴苛條件，解決這個矛盾，這才是技術難點。

由此，科學家們又研究出許多獲得單光子源的方法，其中量子點單光子源是目前比較先進的方法。這種方法可以讓量子點穩定地發出單個光子流，與其他單光子源相比，量子點單光子源具有較高的振子強度，較窄的譜線寬度，且不會發生光退色。

這種單光子源技術，美國斯坦福大學在2001年就研發出來了，大大降低了第二個光子産生的可能性；2002年東芝和劍橋大學合作，采用量子點結構的LED實現了電注入單光子發射；我國中科院半導體研究所在2007年成功實現了量子點單光子發射。

現在，我國在量子點單光子發射方面已經走在世界前列，以潘建偉院士為首的中科大團隊首創了點脈沖共振激發技術，從根本上消除了量子點激子相幹效應。采用這項技術，相比之前萬分之一激發功率，就可确定地産生純度為99.5%的高品質單光子，是國際公認制備高品質單光子的利器。

作為一般科普，這裡就不過多羅列其中複雜的專業術語了，有興趣的朋友可以百度搜閱有關資料。

這些技術包括單光子的編碼和傳輸問題、光子檢測和接收問題等等。

如單光子編碼，就涉及到用偏振還是相位，就是采用偏振片還是半波片、各種幹涉儀，如何處理編碼過程帶來的損耗等等。

遠程傳輸是采用光纖，還是隔空無線傳遞，能夠傳遞多遠，通過什麼方法中繼，信号如何保持或放大，采取什麼樣的方式實現量子密鑰分發、量子隐形傳态，如何解決傳輸過程中的安全與信号衰減問題。

而在接收終端，就必須有一台精确高效的單光子探測接收裝置，也就是說接收到1個光子就能夠敏感響應。這一點似乎并不是很難做到，因為人的眼睛隻要有10個光子就能夠感光，而青蛙的眼睛據說就能夠看到單個光子。比較難的是，這個探測器要能夠響應合适的波長範圍，而且要高效反應，在高噪聲環境實現高效通訊。

這些，中國已經取得突破。如科技大學郭光燦院士領導的團隊與奧地利馬庫斯·休伯教授合作，成功實現了在高噪聲環境下的高維量子通訊；以潘建偉為首的科學團隊，構建了全球首個星地量子通信網，實現了跨越4600公裡的星地量子密鑰分發。

而意大利帕多瓦大學的研究人員，則在2019年就實現了超過20000公裡的超遠距離單光子交換傳輸，創造了新的世界紀錄，這也證實了微型量子通訊在全球範圍内實施的可能性。

從上述介紹可以看出，量子通訊早就已經從實驗室推向了社會運用，如果還硬要說量子通訊是假的，就是選擇性失明，睜開眼睛說瞎話了。

這裡多說一句，量子通訊是基于美國科學家1984年制定的BB84協議和之後改進的BBM92，以及2012形成的MDI-QKD協議，是國際上通用的量子密鑰分發協議。其主要目的是利用量子力學的不确定性原理和量子不可克隆性，以光子的偏振态作為信息載體來傳遞密鑰，增加安全通訊的距離。

因此量子通訊與量子糾纏的超距超光速傳輸的詭異效應沒有半分錢關系，如果有人刻意從這方面宣傳誘導，将量子通訊神秘化，就有僞科學之嫌了。對此你怎麼看？歡迎讨論，感謝閱讀。

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