量子力学：量子通信

量子通信是利用量子力学原理对信息进行编码、传输和处理的新型通信方式，以下是其详细介绍及业界发展现状：

基本原理

• 量子叠加态 ：量子系统可以处于多个状态的叠加，如光子的偏振方向可以同时处于水平和垂直方向的叠加态，这使得量子信息的存储和传输具有巨大的潜在容量。
• 量子纠缠效应 ：两个或多个量子粒子之间会产生纠缠态，无论它们相距多远，对其中一个粒子的测量会瞬间影响到其他纠缠粒子的状态，这为量子通信中信息的远距离传输和关联提供了基础。
• 量子不可克隆定理 ：未知的量子态无法被精确复制，这确保了量子通信中信息的不可窃听性，一旦信息被窃取或篡改，通信双方能够立即发现。

主要形式

• 量子密钥分发（QKD） ：利用量子态携载信息，在通信双方之间共享密钥，该密钥具有绝对随机性和无条件安全性。常用的协议有 Bennett-Brassard 1984（BB84）协议和 EPR 协议，目前是最成熟、最接近实用化的量子通信技术。
• 量子隐形传态（QT） ：借助量子纠缠的性质，将微观粒子的量子状态远距离传给另一个粒子，而无需传输粒子本身，为未来量子网络和分布式量子计算等提供了可能。

业界发展现状

• 技术进展 ：

  • 中国 ：近年来实现了诸多突破，如 2016 年发射的全球首颗量子科学实验卫星 “墨子号”，在国际上率先实现了星地量子通信；2017 年建成的 “京沪干线”，是国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网；2024 年国家量子骨干网全线贯通，总里程超过 104km，覆盖多个重要区域。
  • 国际 ：欧美等发达国家也在积极投入量子通信研发与应用，如瑞士 ID Quantique 公司、美国 MagiQ Technologies 公司等在量子通信技术和产品方面具有较强的竞争力，此外，谷歌、IBM 等科技巨头也在探索量子计算与量子通信的融合应用。

• 市场规模 ：

  • 全球 ：2023 年全球量子通信行业市场规模仅约 10 亿美元，2024 年预计将快速增长超过 26 亿美元，未来六年行业复合增速更将达到 39.5%。
  • 中国 ：2019-2022 年中国量子通信市场规模从 425 亿元增至 709 亿元，年均复合增长率为 17.3%，2023 年约为 805 亿元，2024 年有望增至 892 亿元，其中量子通信产品及建设运营占比最高，达 50.18%。

• 应用领域 ：

  • 政务领域 ：量子通信为政府机构之间的信息传输、数据共享等提供了高安全级别的通信保障，如 “京沪干线” 已用于金融、政务等领域的远距离量子保密通信技术验证与应用示范。
  • 金融领域 ：银行、证券等金融机构对信息安全和数据保密要求极高，量子通信技术可用于保障金融交易数据、客户信息等的传输安全，防止信息泄露和篡改，如中国银行、工商银行等已开展量子通信相关应用试点。
  • 国防领域 ：在军事指挥、情报传输等方面，量子通信能够有效防止敌方窃听和破解，确保军事信息的安全性和可靠性，提升国防安全保障能力。
  • 电力领域 ：可用于电力系统的调度通信、数据采集与监控等，保障电网的安全稳定运行，防止因通信线路被窃听或干扰而导致的电力事故。

• 政策支持 ：中国出台了一系列政策支持量子通信技术的发展，如《推动数字金融高质量发展行动方案》《信息化标准建设行动计划（2024—2027 年）》《关于推动未来产业创新发展的实施意见》等，为量子通信行业的发展提供了明确、广阔的市场前景和良好的生产经营环境。

• 行业挑战 ：

  • 技术难题 ：量子通信技术仍面临一些技术瓶颈，如量子纠缠的制备和操控难度大、量子信号在传输过程中的损耗和退相干问题、量子存储和中继技术有待进一步提高等，限制了其传输距离和通信效率。
  • 成本高昂 ：量子通信设备的制造和维护成本相对较高，如量子密钥分发设备、单光子探测器等核心器件，这使得量子通信系统的建设和运营成本居高不下，制约了其在更广泛领域的应用和推广。
  • 标准缺失 ：目前量子通信领域缺乏统一的国际标准和规范，导致不同厂商和研究机构开发的量子通信系统之间可能存在兼容性问题，不利于行业的规模化发展和互联互通。
  • 人才短缺 ：量子通信技术涉及到复杂的物理过程和精密的实验设备，需要具备深厚量子力学知识和丰富工程经验的高素质科研人才和技术团队，而这类人才的培养和引进是一个长期的过程。