如何用通俗語言解釋什麼是量子通信？

11-28

【純原創】
本人本科期間曾經做過相關工作。為了回答這個問題，我用量子密碼通信的早期協議，BB84協議作為例子，跟大家解釋什麼是量子通信。我的語言會盡量通俗，便於大家理解。
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問題一：為什麼量子通信安全，而傳統通信存在「隱患」？

我們都知道現在有線通信主要有兩類介質，電纜和光線。我們在一些諜戰片里都看過，為了竊聽對方的電話，間諜直接爬上電線杆，然後把竊聽設備接頭插在電線上，就能截獲電話信息。

圖1 通信系統示意圖
如圖1所示，其中Alice為發送者，Bob為接受者，二者為合法用戶。但系統中存在竊聽者Eve，在電纜通信中，Eve只需要把類似萬用表或者示波器一樣的東西，接在Alice和Bob之間的電纜上，便能夠輕鬆且聽到所有信息。這個手段最恐怖的地方在於，竊聽者Eve並不會改變和影響信息的信號，包括波形和強度。這樣會導致Bob根本無法發現竊聽者Eve的存在。同樣，對於光纖通信，也存在類似的問題。

圖2 光纖彎曲竊聽法
上圖2便是一種典型的光纖竊聽方案，現在國內外已經有很多此類產品。原理是通過將光纖彎曲，使得部分光信號外泄，並被相應的探測器探測到。而由於光纖損耗會受到環境因素，例如溫度，壓力的影響，導致光纖損耗本來就是飄忽不定的。因此，竊聽所導致的損耗會淹沒在環境變化里，無法被接收端Bob察覺。
此外，我知道的典型光纖竊聽方案還有散射法，存在的問題相同，在此不再贅述。
所以總結一下，電纜通信和光纖通信存在兩個問題：

竊聽手段簡單
竊聽者無法被察覺

這是兩個非常嚴重的問題，雖然我們可以通過軟體加密，比如經典RSA公鑰加密演算法，該演算法基於一個十分簡單的數論事實：將兩個大質數相乘十分容易，但是想要對其乘積進行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰。

圖3 郭光燦院士公開課課件（鏈接見後）

其破解難度很高，甚至於最快的超級計算機也無法快速破解。如圖3所示，我們需要考慮未來的事情，即將來計算機技術可能得到突破，比如超級計算機技術的發展和量子計算機的出現等等，這會使軟體加密的破譯速度越來越快，使得破譯存在可能。以上便是傳統通信中存在的隱患。
而量子通信恰恰利用了物理學的基本原理，解決了上問題：

測不準原理(Uncertainty principle)
量子不可克隆原理
單個光子不可再分

圖4 海森堡測不準原理圖解（大學物理中會涉及）

當信息以量子為載體時,根據量子力學原理，微觀世界中粒子位置是不可能被確定的,它總是以不同的概率存在於不同的地方，這一點可以參考薛定諤的貓。而對未知狀態系統的每一次測量都必將改變系統原來的狀態。也就是說，測量後的微粒相比於測量之前，必然會產生變化。同時由於量子不可克隆原理，竊聽者Eve無法克隆任意量子態，於是在竊聽者Eve在竊聽量子信道時，就不得不銷毀他所截獲到的這個量子態微粒。

一句話總結：如果竊聽者Eve竊聽了信息，那麼必然會對信息的信號產生影響，因此接收端Bob可以通過檢測誤碼率，或者是跟發送端Alice協商，通過分析信號是否正常，來判斷是否存在竊聽者Eve。

問題二：量子通信有哪些協議？是如何工作的？

圖5 克勞德·香農（1916-2001）註：今年是香農的百年誕辰

首先保密通信需要使用密鑰，分別在發送端對信息進行加密，然後使用相同密鑰在接收端解密。

基於此我的祖師爺，資訊理論創始人香農，在上世紀50年代對無條件安全做出過開創性的研究。他總結出了「一次一密」的無條件安全的條件，顧名思義即

密鑰真隨機且「只使用一次」
與明文等長且按位進行二進位異或操作

該方法的優點是理論上不可破譯，且香農進行了嚴格的理論證明。但其缺點是需要大量密鑰，而密鑰的更新和分配存在漏洞！即存在被竊聽的可能性！

所以不解決密鑰分發的問題，就不可能實現無條件安全。這也導致了在香農發布了這一成果之後，根本沒有人商業使用這種方式，據說只有莫斯科和華盛頓之間的通信，曾經使用過這種方法。

而現在，我們可以通過量子力學原理，解決一次一密中的密鑰分發問題。

於是在1984年，IBM公司的Bennett和加拿大的Brassard提出來了量子密鑰分配的新概念，和對應的量子密鑰分配協議——BB84協議。

為了理解這個協議，需要介紹一下量子比特，比如單光子的偏振方向:

圖6 量子比特編碼方式

如圖所示，我們將

碼元0對應光子偏振方向為水平或斜向下45度
碼元1對應光子偏振方向為垂直或斜向上45度

圖7 測量基示意圖

同樣的，我們在接收端安排兩種對應的測量基，如圖所示。下面關鍵點就來了。

圖8 測量過程（源郭院士公開課，懶得自己畫了。。。）
比如，Alice端發送編碼方式1（垂直/水平），同時接收端Bob使用測量基1進行解碼，這時候能夠完美解碼。
而重點是Alice端發送編碼方式1（垂直/水平），同時接收端Bob改用測量基2進行解碼，這時候會出現什麼情況呢？
那就是無論水平信號，還是垂直信號，都會有50%的幾率被測成斜向上信號0和斜向下信號1。換句話說，這種測量方式無法獲取信息。

圖9 BB84協議（源郭院士公開課，懶得自己畫了。。。）
所以說，BB84協議流程如下：
1.發送端Alice隨機生成上述四種密鑰（垂直，水平，斜上，斜下），生成後密鑰的狀態即確定。
2.接收端Bob隨機使用兩種測量基，對Alice發送的密鑰進行解調。因為Bob隨機選用測量基，所以會有一半幾率選用不正確的測量基。如圖9所示，發送序列和接受序列分別為：

10110011001110
10010011000100

可以看到必然會存在測量錯誤，那麼可以計算出誤碼率為：
50%（選錯測量基）*50%（因為結果非0即1，所以錯誤測量基有一半概率蒙對）=25%
3.接收端Bob通過公開信道（可以被Eve竊聽），告知Alice其每個碼元分別對應的解調的測量基類別。然後Alice根據這一信息，對比自己的編碼方式，就能知道自己哪些測量基選對了，哪些選錯了。
4.再然後，Alice通過公開信道（可以被Eve竊聽）告訴Bob需要扔掉哪些錯誤測量基的結果，留下的即為最終篩選結果，該結果在Alice端和Bob端相同。這兩個01序列完全相同，即為量子密鑰。

如果大家能夠理解上述4步，那麼之後就很容易理解了。即使Eve竊聽到了公開信道上的全部信息，那麼Eve還需竊聽量子信道，才能還原出最終的密鑰，但這麼做會造成以下後果。

圖10 判斷是否有竊聽者（源郭院士公開課，懶得自己畫了。。。）

如果Eve選錯了測量基（50%概率），那麼必然會改變信號，使得Alice發送的信號和Bob接收的信號不一致。經過上述協議後，Alice和Bob端的量子密鑰不一樣，會造成Bob端無法解碼或者誤碼率增大。因而Bob可以通過上述現象，判斷是否存在竊聽者Eve。
通過計算，可以得知在每個比特（碼元）上，Bob有25%的概率發現竊聽者。因此如果有100個碼元，那麼Eve不被發現的概率為(1-25%)^100=3.2* 10^(-13)，可以忽略不計。更何況，實際通信中，碼元的數量遠遠超過100個。換句話，如果我們無需考慮Eve能夠隨機蒙01，最後蒙對每個碼元的概率，那麼我們也無需考慮Eve每次都恰好不被發現的小概率。該過程如圖10所示。

後來在2001年，科學家從理論上證明完美的BB84協議，具有無條件的安全性。但大家應該能理解，現實條件一般都是「不完美的」。例如完美實現BB84需要完美的單光子光源，但目前人類還做不出單光子光源，還是會發出多個光子，因此會存在安全漏洞。
竊聽者Eve每次截取一個光子，如果Alice端光源發出的光子數為1，那麼這個光子被截獲；如果光子數為n（大於等於2），那麼Bob端接最多收到n-1個光子。而因為信道衰減的存在，Bob端接收到的光子數本身就小於Alice發送的光子數。同樣，因為信道條件的不確定性，導致Bob端難以發現光子被攔截。
因此，雖然Eve會截獲一個光子，但剩下的光子沒有因為Eve的攔截而改變，無損失，無變化的被Bob接收。因此Bob無法通過誤碼率來判斷Eve的存在！

所以為了解決這些問題，科學家做了非常多的研究，提出來更加實際通用的協議，比如CVQKD協議。但這些協議比較複雜，建議大家無需了解。
希望通過本文，可以讓有一定基礎的愛好者，能夠大概明白量子通信是什麼，以及量子通信為什麼安全。

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最後推薦一門網易公開課，授課人是郭光燦院士。我當初入坑的時候就是看郭光燦院士的公開課啟蒙的，但課程有一定深度。

課程鏈接：中國科學技術大學公開課：來自量子世界的新技術

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讓我們看一則漫畫就懂了，松鼠會的Sheldon（公眾號ID：Sheldon42）是這樣解釋的：

轉自奧卡姆剃刀先生的微博，如侵則刪：

這世界上還沒有量子通信，就像還沒有RSA通信一樣。

嚴格來說應該是：「應用量子技術通過光通信實現密鑰交換的通信加密技術」。
不過太長了一點，可以簡稱「量子加密通信」。
但簡稱為「量子通信」就太過分了點。
好比"鮑汁紅燒魚飯"簡稱"鮑魚"

"量子通信"這名字起得逼格太高太高了，為"轉基因"起名的那個哥們，得多學點。

「量子通信」這個詞起得不好，很容易讓人誤解。其實量子在通信過程中僅起到加密作用。

比方說，中國要發送情報給美國，於是派了一個信使乘飛機過去。這個信使從一盒撲克里隨機抽取了一部分紙牌帶在身上。（可以認為信使帶的撲克和剩下的撲克處於糾纏態，因為只要查看一方就能知道另一方，但如果不查看撲克，撲克的狀態就是隨機的。）

等信使到了美國，然後聯繫中國說「我到了，請發信息過來吧」，於是中國一方用那盒撲克里剩下的紙牌做密鑰把情報加密，發送過去。在信使查看紙牌前，誰也不知道紙的狀態，但當他一打開紙牌（塌縮），他同時也就知道了中國那邊紙牌的內容，也就是密鑰。這樣情報接收方便可以解密收到的信息，獲得情報。

在這個過程中，如果有第三方進行破壞，比如在半路搶走信使的撲克牌（密鑰），或者對通信進行偵聽，他都無法得到情報的內容。

整個通信過程中並不存在瞬間（超光速）傳輸，也不存在一方撥動某個東西另一方也會跟著變化這種事情。實現量子通信的難點僅僅在於信使的傳遞。

謝邀，我不知道提問者的對這個問題的理解基礎是什麼，也不明確要通俗到什麼程度，我先按照自己的理解寫一些，如果提問者不滿意，我們繼續討論。
首先，量子通信，有廣義和狹義，張強說的是廣義的定義，他是做這個的，這個定義沒有問題。
我估計題主問的是狹義的，也就是我們所說的量子保密通信，或者量子密鑰分配，我基於此理解作答。
狹義的量子通信希望解決的是通信的安全性問題。傳統上說，信息需要加密才能安全，加密的方式有很多，唯一被證明了是「絕對安全」的密碼體系，是所謂的一次一密。所謂的一次一密，就是要求用於加密的密鑰長度與被加密的明文長度相同。所以若要達到這種加密標準，那麼就要有很多很多的密鑰，而且密鑰要安全。
所以明確一下，量子保密通信乾的事情並不是加密，而是把密鑰分配給需要保密通信的雙方，密文的發送仍然可以通過標準的通信手段來完成。明確了量子保密通信的任務之後，這個過程要保證的就是首先要能夠在A B兩人之間實現密鑰的分配，其次要保證分配的過程中不會使未授權的第三方得到密鑰的內容。
上述任務的完成就是藉助了量子力學的基本特性，簡單的說可以說基於量子態不可克隆原理和海森堡測不準原理。
不可克隆說的是不存在量子態的複印機，能夠實現量子態的完美複製（不完美是可以的）。
測不準就是說你對量子態進行的測量很有可能改變它的狀態。比如原來是1，可能測完就變成0.5了。
有了以上兩個定理作為利器，我們就可以進行量子密鑰分配了。
假設A發給B一個態，對於A是已知的，對於B是未知的。E想來看看A發的是什麼（E是無授權的第三方），那麼直接的辦法是我先把你的截下來，測量一下我就知道了，但是實際上是不行的。第一，E截取了也無法完美複製，於是只能做單次測量，（若能完美複製，E就能複製無窮多個去測量去，總能測清楚）。那E來做單次測量，單次測量量子態之後，A發送的原始態就變化了，B收到之後再問問A你發的是什麼啊？B一測量，太變化了，那就有人竊聽了，我們分享的密鑰不安全了，這就是竊聽的發現。
保證安全性過程基本就是這樣，實際上要複雜很多，包括安全漏洞的來源和防護，包括大家在做的量子攻防，就是解決實際過程的安全性的。
簡單的說，一、量子密鑰分配不做通信，只分配密鑰；二、量子密鑰分配不主動防護竊聽，而是被動探測竊聽；三、量子密鑰分配需要常規通信，無法超光速（這點大家容易誤解）；四、竊聽的探測基於量子力學的基本原理（不可克隆和測不準），所以叫做量子密鑰分配。
現在，量子密鑰分配的研究很多針對實用化在做，機理上的深度研究比例不高，大家都在做應用。希望能說清楚，量子信息的延伸問題還有很多，歡迎大家一起討論

近日，我國成功發射了世界上首枚量子通信衛星「墨子號」，並且伴隨著地面「京滬幹線」的建設完成，將首次實現「天地一體化」的量子通信網路的構建，真正奠定了中國在量子通信領域「老大哥」的地位。

而隨著「墨子號」升空，同時也把「量子通信」這個詞推上了熱點，但很多人都是知其然而不知其所以然，正如題主所問，「有沒有通俗一點的語言可以解釋呢？」

當然有！還是來自量子通信領域的大咖——中國科學院院士、中國科技大學常務副校長潘建偉的親口表述，讓我們一起去看看這個神秘的量子世界

圖1中國科學院院士、中國科技大學常務副校長潘建偉

一、基本概念：「量子」為何物

量子是構成物質的最基本單元，能量的最基本攜帶者，不可分割。以我們最熟悉的「光量子」為例，作為光能量的最小單元，不存在「半個光子」。光的能量都是以光量子的能量為單位逐份變化的，並且這種變化不是連續的。在量子物理學的理論體系中，大多數物理量的值都是不連續、離散式地變化的。

這樣的觀點在提出之初是難以為人所接受的，因為它與經典物理學中物理量都是連續變化的觀點是截然不同的。然而，大量的實驗事實讓科學家們逐漸接受了這一新的理論，並且歸納總結出諸如「量子疊加態原理」、「概率性測量原理」等，建立了現在的量子物理科學。

圖2 量子理論之父普朗克

二、「絕對安全」嗎？給你理由

從摩斯電碼到電報、傳真，從行動電話到網路通信，通信技術的發展在為人類提供便利的同時也帶來了通信安全的隱患。但是量子通信技術的出現，就能夠完美地解決信息傳輸過程中的安全問題，真正做到「絕對」安全。

而量子通信作為絕對安全的信息傳送方式，主要體現在光量子的不可分割性上。由於光量子的不可分割性，所以在單光子發射的情況下，竊聽者無法採用將光子分成兩半，一半用於獲得密鑰，一半傳輸給接收方的方式避免被發現。同時，光量子還具有無法克隆性，因為光子是無法準確測量的，所以更無法被竊聽者複製，即無法通過準確測量光子，克隆出一個一模一樣的光子從而獲取信息。換句話說，在量子通信傳輸信息的過程中，一旦信息被竊取，就一定會被發現。

另外，隨著計算機運算性能的不斷提高，以及量子計算機的研製與發展，經典傳統的公鑰演算法(RSA)受到衝擊。相較於只能依靠密碼長度和複雜性保證安全性的RSA演算法而言，量子通信可以真正做到「一次一密」，從而真正實現密碼無法被破譯。這也是量子通信技術能夠實現「絕對安全」的重要理由。

圖3 量子通信概念圖

三、背後原理：神奇的力量——量子糾纏

量子糾纏現象是量子科學領域最古怪但也是最神奇的性質之一，因為它能夠產生「幽靈般的超距離互動」。毫不誇張地講，也許未來人類能夠利用量子糾纏這一特殊性質真正實現「瞬間移動」。

想要理解量子糾纏有多麼的詭異，我們通過電子的自旋這一典型的例子來解釋。電子的自旋與實際物體的旋轉有著巨大的不同，其旋轉的狀態總是不確定的，直到觀測的某個瞬間才能夠確定。而量子糾纏理論認為，假設有兩個相互糾纏的電子對，即使它們一個在地球一個在月球，二者之間沒有任何傳輸線相連。如果你在某個時刻觀測到其中一個的自旋狀態，那麼另一個電子在同一時刻的自旋狀態也會相應的發生變化。也就是說，如果你對其中一個粒子進行觀測，那麼你不止是影響了它，你的觀測也同時影響了它所糾纏的夥伴，而且這與兩個粒子間的距離無關。

二者之間存在的這種奇妙的互動就是量子糾纏，也曾被愛因斯坦稱作「幽靈般的超距離互動」。所以，在量子糾纏的幫助下，我們可以將另一個粒子的未知量子態傳送到遙遠地點，而不用傳送這個粒子本身。利用這種詭異的互動，人類也許可以在未來實現科幻電影中的「瞬間移動」。

圖4 量子糾纏現象

量子科學的世界充滿了經典物理學無法解釋的神奇現象，但是科學家們正在通過不懈的努力一一驗證這些聽起來荒謬的理論。

作為量子力學的重要應用，近年來量子通信的飛速發展大大增加了人們對於量子科學的信心；作為量子通信領域的技術強國，中國正在用實力證明，人類渴望的絕對安全通信的夢想即將成為現實。

老實說，「墨子號」的升空真的有一種又拿了金牌的民族自豪感！

量子通信的特點是安全，簡而言之就是可以發現是否有竊聽者。最基本原理就是量子態不可克隆。比如我發一組信息給你，有人在竊聽，截取了這個消息。他如果不想暴露，就必須複製一模一樣的數據給你，但根據量子態不可克隆原理，他發出來的信息大部分都是錯的。當你接受到數據之後，我和你會公布一小部分數據，看看是否一致，如果錯誤率較高則證明有竊聽者。量子通信的數據載體是經過偏振編碼的光，基本的通信協議是bb84編碼。希望這個回答讓你滿意

有些回答偏重技術。什麼互相垂直的糾纏光子，什麼偏振片，什麼網格。概念太多，容易讓門外漢confused。其實糾纏不一定非要借用偏振互相垂直的糾纏光子，也可以是自旋相反的糾纏粒子，也可以是別的形式的量子糾纏。對於不同的糾纏態，有不同的檢測技術。而這，其實並不是量子通信的核心觀念。關於量子通信最基本的原理，並不需要知道的太多。

首先，一般的加密通信，是類似於壓縮包（字典）和密碼（字典第幾頁第幾個字）的形式。壓縮包和密碼通過兩條信道發送，合在一起，就可以還原出信息。

那麼，如果這個壓縮包被截取，並且暴力破解（什麼叫暴力破解，就是一次次的嘗試不同的密碼唄），那麼信息就被破譯了。

而且，截獲信息以後，你可以複製一份壓縮包，按原樣發到接受方去，那麼接收方照樣能正常打開壓縮包，不會發現被截取的事情。

那麼，量子通信的優勢在哪兒呢？
1.壓縮包不可複製

2.壓縮包僅能打開一次，一旦打開錯誤，壓縮包就會受損，無法還原

這兩條，第一條保證了，一旦竊聽，接受者就無法收到正常的壓縮包。

第二條保證了，加密的信息無法被暴力破解。

以上就是最基本的觀念了，想了解更多，請看下面。
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下面的內容需要量子力學的基本知識，以及，更深度的思考（請翻閱各種書籍，如《糾纏態》等，作者沒時間答疑。）

量子壓縮包為什麼會有這樣的性質？這背後的量子力學機理，涉及量子力學中的最基本特性：疊加態。

下面以光子為例，說明在測量（試密碼）過程中，量子壓縮包（光子）的信息是怎樣損失的。

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一個盒子里，有一隻貓。它不是薛定諤的貓。它的生死，取決於盒子里的燈絲髮出的一個光子，看它能不能通過盒子里一片偏振片。通過，它就活下去，而不通過，它就死掉。

假設，偏振片在90度方向，光子處於以下疊加態：
（70%通過，30%不通過）
箱子是密封的，
那麼，貓的狀態也就變成了
（70%活貓，30%死貓）
那麼，直接打開，會導致處於疊加態的光子塌縮！信息損失！

打開後變成
（100%活貓，0%死貓）
或者
（0%活貓，100%死貓）

這個測量過程中，（70%，30%）的比例信息丟失了！這個光子的狀態無法還原！

然而，並不是所有的測量都會導致信息損失。如果旋轉偏振片（偏振片可遙控，不打開箱子），讓它的方向正好平行於光子偏振方向，那光子波函數就成了
（100%通過，0%不通過）
貓也就成了
（100%活貓，0%死貓）
你看，打開箱子，波函數沒有任何變化。於是，對純態的測量，信息是無損的。

問題是，我丫怎麼知道光子往哪個方向偏振啊！

別急，這時候該愛神出場了。愛因斯坦大神若活著，不知道得幾個諾貝爾獎了，年初探測到愛神100年前提出的廣義相對論預言的引力波，又要得諾貝爾獎了，拜愛神orz。

愛因斯坦發現，有的粒子對，它們就像孿生兄弟，存在鬼魅般的相互關聯！一個能通過70度的偏振片，另一個就能！一個不能，另一個也不能！

於是，我們升級一下設備，讓盒子里的燈絲髮出纏光子對！把其中一個光子引出來，用一個n度傾斜的偏振片測一下，馬上就能判定，裡面的偏振片應該放在什麼方向能測出百分百的活貓！放在什麼方向能測出百分百的死貓！怎麼測信息都無損！不會像竊聽的人來測，有可能是活，有可能是死！（當然轉偏振片要快，趕在另一個光子到達偏振片之前）

那麼，這個可憐的盒子里的貓，就是我們的壓縮包了。

我們可以用活貓代表1，死貓代表0。
五個箱子，我告訴對方怎樣旋轉每個偏振片，就能傳遞信息。比如我要傳遞00100的信息，我探測到的光子對是（70，160，160，70，160）；那麼，我要發送的密碼就是（160，70，160，160，70）

偷聽的人，不知道怎麼旋轉偏振片，於是，本來是必死的貓在他測量就有一定概率是生，反之亦然。那他記下的可能就10110，這樣他不可能接收到正確的信息。

一句話總結，量子壓縮包通常處於疊加態，而對疊加態的測量會導致波函數隨機塌縮，這個過程中信息損失，且這種損失是不可逆的，也就是你沒法通過這次測量來推測這個壓縮包沒測量之前的狀態。

除非你把我們旋轉偏振片的口令（密碼）也偷走了。

量子通信，如果壓縮和密碼都偷走了，那還是可以打開的。（=_=）

所以它的安全，只是說量子壓縮包單獨被竊聽和破譯的安全性提高到最高。

附錄：
總結一下量子通訊加密解密的過程：

1.首先，生成關聯光子對，分別送往AB。
2. A測量光子，得到光子對的確切偏振方向，寫出字典。
3.根據字典，把要發送的信息進行編碼。（生成密碼）

4.將密碼傳遞給B。
5.B用密碼，測量自己手頭字典中的光子（解碼），得到信息。

利用微觀粒子的狀態表示的信息就成為量子信息。信息一旦量子化，描述「原子水平的物質結構及其屬性」的量子力學特性便成為描述信息行為的物理學基礎，在此基礎上研究信息的存儲、傳輸和處理的一般規律的學科成為「量子信息學」。以量子（微觀粒子）的狀態載荷信息、實現信息存儲，遵從量子力學規則實時信息處理與傳輸。通過將經典信息映射到量子態上並且定量化以qubit定義量子信息這兩個根本特性為信息學科和通信技術帶來根本性重大突破。

最簡單的來了。
傳統通信是幾百隻飛鴿傳信。

量子通信就是派一個密使親自去。

故事的初始版

話說B國出產一種奇特的寶石，有圓形和方形兩種形狀和紅藍兩種顏色。這種寶石奇異之處在於，人們無法同時知道寶石的形狀和顏色。寶石平時處於高速旋轉狀態，看不出來是方的還是圓的，但是可以看出顏色是紅的或者是藍的；當你用手緊緊抓住這個寶石，不讓它旋轉的時候，它的形狀是確定知道是圓的還是方的了，可是這個不轉動的寶石的顏色卻變成了紅色和藍色不停閃動的紫色；一旦鬆開手，它又開始旋轉，顏色卻固定顯示為紅色和藍色，不過不一定是你剛才抓它前的顏色。

彼時A國和B國處於敵對狀態，戰爭一觸即發。B國潛伏在A國政府高層的間諜刺探A國的國力和軍力情報。然後用這種奇異的寶石向B國報告是否發起戰爭的信息，由於B國間諜只能派A國人送信，他也不能確定送信人是否會偷看這些寶石。

B國間諜在黑暗中摸索挑選出100顆同樣形狀的寶石，然後再裝進一個密封的箱子里，派信使送到B國。按預先的約定，B國收信人同樣在黑暗中摸索這些寶石：全是方形表示要開戰，全是圓形表示講和，不是同一種形狀的話，殺死信使。

這些密封在箱子里的寶石一旦被人看見其顏色，再去摸它們的時候會發現本來一樣形狀的寶石，瞬間變成隨機的兩種形狀。這樣以來，如果信使偷偷打開箱子看到了這些寶石，本來是同一種形狀的寶石會以五五開的概率變成圓形和方形兩種形狀。

這個解釋的意義可以參考斯特恩?蓋拉赫實驗，一個比較形象化的課件大家可以玩玩。點這裡。大家選3個磁極，中間那個拖動旋轉90度，選自動發射就會發現原本被過濾掉的z-電子，在被測量了垂直軸磁極後又詭異出現了。

故事的增強版

其實B國這種奇異的寶石總是成對出產的，而且這對孿生的寶石之間有著神秘的聯繫：如果其中一個是圓的，另一個肯定是方的；如果其中一個是紅的，另一個肯定是藍的。

我們順著第一個故事的背景談。B國覺得讓人從A國帶信過來時間太慢，很容易貽誤戰機，而且A國信使的忠誠總是讓人懷疑。於是就有了更先進的通信方法。

B國間諜去出發去A國刺探情報之前，先把100對孿生寶石一一分開，一半自己隨身帶著，另一半密封在箱子里留在B國皇宮。然後跟國王約好，某月某日打開箱子，如果留下的寶石全部是紅色，則發兵進攻A國；全是藍色則向A國求和；顏色紅藍都有，再派新的間諜吧，原來的間諜可能已經掛了。

於是B國間諜充分收集了A國政治軍事情況後，決定發這樣的消息給B國國王：A國很強大，咱們還是努力求和吧。於是在約定好的那一天之前，把用於傳遞消息的寶石一一拿出來把玩，如果某顆寶石是紅色的，就什麼原封不動；如果寶石是藍色的，就抓住不讓它旋轉，看清楚形狀後再放手，重新旋轉起來的寶石如果呈現了紅色，就放回去，如果還是藍色，再來抓住-放手一遍，直到寶石旋轉時呈現紅色為止。最終B國間諜這邊所有的寶石都呈現了紅色。而約定時間打開密封寶石箱的B國國王看到箱子里的寶石全是藍色的，他就乖乖帶上禮物去A國求和了。

明亮環境下一件物體是會向四周散發可見光的。當你觀察一件物體的時候，這個物體本身發出的光子會進入你的視網膜，你就知道了這個物體的存在。所以相當於你的眼睛「截獲」了一段關於這件物體的訊息或光子。
當你發電報的時候，電報訊號是像廣播一樣的散發出去的，而真正要接受的電報機只有一個，然而事實上你可以拿著另一個電報機藏在附近，「截獲」電報訊號，而發射機和接受機是不會知道你的存在的。

截獲一段電子信號也是如此原理，一段電子信號其實就是一捆同樣頻率的電子束，竊聽者只需要截獲其中一束，稍加解碼後就可以知道信息內容，而這段信號的接收方其實也只接受這一捆里的一束，所以傳輸中「少了一束」，接受機或發射機都是不知道的。

所以只有一個辦法可以知道這段信號是否被竊聽，那就是傳輸電子信號的時候只用一個電子束，而不是一捆。

所以量子層面的信息傳播，由於它僅有一束電子束，當你觀測它的時候，這一束電子束就跑到了觀測者那裡，那麼接受者就收不到電子束了，於是接受者或發射者就意識到自己被竊聽了。比如說我給你用量子通信發射一個信息說：你往前走兩步。結果你沒走，還在那裡傻站著等我的命令，那麼就可以說通信可能被竊聽了也可能是壞了，但如果你果然往前走了兩步，則可以確定通信沒有壞且沒有被竊聽。

在軍事上這點就非常重要，比如我想命令A師向B城進軍。下達命令後如果這段指令不是量子通信，被竊聽了，那麼我和A師都以為這個計劃沒人知道，那麼A師就會很自信的殺向B城，結果很可能發現敵人早已經在B城提前製造了埋伏。換成量子通信就完全不同了，我下達指令後A師果真向B城進軍了，那麼我和A師才能真正的放心拍胸脯的說，這個計劃敵人不知道。而下達指令後B師卻沒有任何反應，那麼我就會驚覺指令被攔截了，然而由於指令中沒有體現A師在哪，所以A師既不會暴露所在地，也不會跑到B城中敵人埋伏，還是安全的。

一次發射只有一束粒子束的通訊方式，那就是量子層面的信息傳輸，所以叫量子通信

簡單說就是，我用水在桌子上寫了一行字讓別人看。你想偷看，但是你自帶一個大火爐，靠過來的時候就把水烤乾了。然後要看的那個人來看的時候沒有看到字，於是我們就知道有人在偷窺。

大概瀏覽看了一圈幾乎沒有看明白的，你們能不能先告訴我實際載體到底還是不是用電磁波？？？
扯那麼多這樣加密那樣加密幹啥，一句話就是個破解不了又複製不了的神秘高科技唄...

目前，行內所說的「量子通信」是指「量子密鑰分發(Quantum Key Distribution, QKD)」, QKD基於量子物理特性(即量子不可克隆原理)實現了無條件安全的密鑰分發。而目前傳統的密鑰分配方法要麼太過原始(如當面交流，寫信等)僅能提供少量的密鑰；要麼基於計算安全(如RSA等)，雖然能夠提供大量密鑰，但僅能保證計算安全。

樓上幾位講的都非常科學且通俗易懂的！量子么，沒這麼誇張，我從應用角度唱唱反調，不知道有沒有人贊同：
1、加密通信一般都有密文和密鑰，「墨子」比通信衛星厲害在密鑰採用量子通信，如上所說，無法破解，那麼問題來了：挖掘機，額不，「墨子」能絕對保密嗎？不能的，為什麼？密碼學的同學應該都了解，從來都只有暴力強破密文，沒有費勁去偷鑰匙的。打個比方：偷自行車的有先偷鑰匙再偷車的嗎？而超級計算機就是用來剪斷鐵鎖的，所以你告訴我，密鑰用量子通信有意義么？
2、那就有人問了：我可以密文也採用量子通信啊？想知道的話來告訴我，歡迎撕逼
3、要啥自行車！

謝@Megan妖，現在的量子通信，不是我們想像的利用糾纏量子對，進行遠距離心靈感應式信息傳遞。而是利用量子密匙進行的遠距離空地激光加密通信。

嘗試解釋一下，這裡的通信方式和糾纏態的有點不同，專業人士笑笑就好：
假設小A和小B要進行秘鑰傳輸，他們用一杯飲料的狀態來載入信息。
飲料有四種狀態，分為兩類：冷熱、雪碧水。（兩類中先後代表01）

實際上呢，一杯水能攜帶兩種狀態，只有其中一類狀態才是真正的信息。比如小A決定以
溫度、味道、味道、味道、溫度的順序傳遞10111給小B。那A可以用以下五杯飲料：
熱的水、熱的雪碧、冷的水、熱的水、熱的雪碧。
那麼這四杯水的中真正有意義的信息就是：熱、雪碧、水、水、熱 在有意義的狀態之外，都是小A隨機設置的干擾值，比如熱的雪碧，可能代表0也可能代表1。

接收者小B和竊聽者小E都能且只能識別飲料一個狀態，必須嘗一口才知道這杯的冷熱或者味道，嘗出冷熱就不知味道，嘗出味道就不知冷熱。但他們又不知道小A到底用哪類狀態來傳遞信息。所以接收者和竊聽者都有可能得到錯誤的信息。

竊聽者唯一的劣勢就在於，嘗一口會被小B發現，小B發現後告訴小A，這次秘鑰傳輸作廢，我們再來一次，直到秘鑰傳輸沒人竊聽為止。
在沒人竊聽的傳輸完成後，小A會公布之前用來載入信息的狀態順序：溫度、味道、味道、味道、溫度，小B對照這個順序，把用錯誤方式品嘗出的結果丟掉，剩下的信息就是安全可靠的量子秘鑰。
這就是@吳偉的答案中

二、量子密鑰分配不主動防護竊聽，而是被動探測竊聽

的道理

那麼竊聽者嘗了一口後再複製那杯東西呢？小B就發現不了了。
不是這樣的，剛才說過竊聽者只能得到一個信息，嘗出冷熱就嘗不出味道了，所以竊聽後他只有50%的概率複製出原有的信息，等到小A一公布順序，小B就能發現測量錯誤的概率（誤碼率）不正常，判定這是一次不安全的通信，咱們再來一次。

另外，推薦一個中科大郭光燦院士的講座，淺顯易懂：
中國科學技術大學公開課：來自量子世界的新技術

最簡單的嗎？倆字:忽悠。單光子的偏振是種理論理想，不是技術現實。被媒體點歪了科技樹，影響就不會是一兩年。警惕。