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來源：互聯網

量子通信（Quantum communication）是量子信息學的一個重要分支，它利用量子力學原理對量子態進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，可以完成經典通信所不能完成的任務。量子通信是迄今唯一被嚴格證明無條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問題。

量子通信的核心在于以量子態來編碼信息并傳輸，其通信過程服從量子不確定性原理、量子相干疊加和量子非定域性等量子力學的基本物理原理，基于量子力學中的不確定性、測量坍[tān]縮和不可克隆三大原理提供了無法被竊聽和計算破解的安全性保證，量子通信主要分為量子隱形傳態和量子密鑰分發兩種。

量子隱形傳態基于量子糾纏對分發與貝爾態聯合測量，實現量子態的信息傳輸，其中量子態信息的測量和確定仍需要現有通信技術的輔助。量子隱形傳態中的糾纏對制備、分發和測量等關鍵技術有待突破，處于理論研究和實驗探索階段，距離實用化尚有較大差距。量子密鑰分發，也稱量子密碼，借助量子疊加態的傳輸測量實現通信雙方安全的量子密鑰共享，再通過一次一密的對稱加密體制，即通信雙方均使用與明文等長的密碼進行逐比特加解密操作，實現更為安全的保密通信。

2023年3月9日，北京量子信息科學研究院袁之良團隊首創量子密鑰分發開放式新架構，采用光頻梳技術，成功實現615公里光纖量子通信。該架構在確保量子通信安全性的同時，能大幅降低系統建設成本，為中國建設多節點廣域量子網絡奠定基礎。2023年12月14日，在俄羅斯國立科技大學和俄羅斯量子中心(俄羅斯負責制造量子計算機的主要機構)任職的阿列克謝·費多羅夫表示，中俄兩國已于2022年成功進行了首次“完整周期”量子通信測試。2025年2月22日，據悉，中國科研團隊提出了單向量子直接通信理論，并成功研制出實用化系統，量子直接通信從理論構想邁向實際應用階段。2026年2月12日，北京大學科研團隊構建出首個大規模量子通信芯片網絡。2月，國盾量子研制的一款搭載第六代雙通道單光子探測器的量子通信設備已進入最后的性能調測階段。

定義

量子通信的基本思想主要由 Bennett 等于 20 世紀 80 年代和 90 年代起相繼提出，主要包括量子密鑰分發（quantum key distribution, QKD）和量子態隱形傳輸 (quantum teleportation)。

量子密鑰分發可以建立安全的通信密碼，通過一次一密的加密方式可以實現點對點方式的安全經典通信，現有的量子密鑰分發技術可以實現百公里量級的量子密鑰分發 , 輔以光開關等技術，還可以實現量子密鑰分發網絡。量子態隱形傳輸是基于量子糾纏態的分發與量子聯合測量，實現量子態 (量子信息) 的空間轉移而又不移動量子態的物理載體，這如同將密封信件內容從一個信封內轉移到另一個信封內而又不移動任何信息載體自身，在經典通信中很難實現，基于量子態隱形傳輸技術和量子存儲技術的量子中繼器可以實現任意遠距離的量子密鑰分發及網絡。

量子通信的實現基于量子態傳輸，為便于傳輸，現有的量子通信實驗一般以光子為量子態載體，其表現形式即為光子態傳輸，量子信息的編碼空間以光偏振為主。如前所述，量子態隱形傳輸只是在空間轉移量子信息 (量子態)，但并不轉移量子信息的物理載體。若以光子為量子信息載體，量子態隱形傳輸就是把量子信息從一個光子上轉移到遠處另外一個光子上。這樣的量子態隱形傳輸有一個明顯的應用：在惡劣通道情況下, 若直接傳輸光子本身進行量子通信，將會由于誤碼率過大而無從實現通信任務。而基于量子態隱形傳輸的量子通信由于無需傳輸光子本身，其通信質量不受物理通道影響。量子態隱形傳輸需要通信雙方預先共享一個量子糾纏態 (常用的兩光子量子糾纏態又稱糾纏光子對，或糾纏對)。為了預先共享糾纏對，需要預先進行糾纏對分發。實際上，糾纏分發本身也可以用來實現量子密鑰分發。通信雙方預先共享的糾纏對的質量取決于糾纏分發時的通道狀況。用于各類噪聲的存在，共享糾纏對一般是不理想的。Bennett 等人的理論表明, 通過對不理想糾纏對純化可以獲得高質量糾纏對，基于此可以實現高品質的量子態隱形傳輸。

發展歷史

1900年，”量子“概念第一次由馬克斯·普朗克（Planck）提出，普朗克假定，光輻射與物質相互作用時其能量不是連續的，而是一份一份的，一份“能量”就是所謂量子，“量子論”也因此宣告誕生。

1968年，以色列科學家斯蒂芬·威斯納提出可以用量子系統來完成經典方法所不能夠處理的信息處理任務，這啟發了人們發明量子通信和量子密碼學。

1979年，美國IBM公司的Bennett和蒙特利爾大學的Brassard提出量子通信傳輸設想。

1981年至1982年，艾倫·愛斯派克特（Alain Aspect）使用糾纏光粒子光子進行了開創性的實驗，這些實驗證實了量子力學是正確的，并為量子計算機、量子網絡和量子通信鋪平了道路。

1984年，美國IBM公司提出量子密鑰分發協議BB84協議，量子密鑰分發利用單光子的不可分割性、未知量子態的不可復制性等微觀粒子特有的性質，從原理上保證了密鑰的不可竊聽，從而確保了信息傳送的安全。但在早期階段，量子通信的安全通信距離只有10公里量級，不具有實用價值。

1989年，IBM公司在實驗室中實現了第一個量子信息傳輸，拉開了量子通信實驗研究的帷幕。

1991年，英國牛津大學A.K.Ekert提出基于糾纏光子對的QKD協議，簡稱Ekert91協議，開啟了基于糾纏光子對進行密鑰分發的先河。

1993年，英國國防部長在光纖中實現了基于BBB4方案的相位編碼，傳輸距離為10km。

1997年，日內瓦大學Nicolas Gisin小組實現了即插即用系統的量子密鑰分發方案。

1997年，奧地利科學家安東·塞林格（Anton Zeilinger）在室內首次完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證，成為量子信息實驗領域的經典之作。當時，中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉正在奧地利留學，跟隨導師蔡林格參與了整個實驗。回國后，潘建偉在中國科學技術大學組建了量子信息實驗室，經十余年耕耘，目前，潘建偉團隊已成為世界范圍內量子信息實驗領域的領頭羊，2016年的“墨子號”衛星正是這個團隊的最新杰作。

2002年，歐洲小組在自由空間中量子密鑰分發的距離達到23km。

2003年，美國DARPA資助建立哈佛大學建立了世界首個量子密鑰分發實驗系統和量子保密通信組網應用。此后，歐美日多國相繼建成了瑞士量子、東京QKD和維也納SECOQC等量子保密通信實驗網絡，演示和驗證了城域組網、量子電話、選舉投票保密等方面的應用。2013年，美國獨立研究機構Battelle公布了環美量子通信骨干網絡項目，計劃采用分段量子密鑰分發，結合安全授信節點進行密碼中繼的方式為谷歌、微軟、亞馬孫河等互聯網巨頭的數據中心間通信提供量子安全保障服務。

2004年，美國國防部高級研究署資助BBN公司建成全球第一個量子通信實驗網絡，共有6個服務器。

2005年，華人科學家王向斌、羅開廣、馬雄峰和陳凱等人，共同提出了基于誘騙態的量子密鑰分發實驗方案，從理論上把安全通信距離大幅度提高到100公里以上。

2007年，歐洲研究小組在自由空間實現了144km的基于糾纏的QKD。

2008年，歐洲聯合小組在維也納建立了SECOQC量子安全通信網絡，是世界上第一個由量子密鑰保護的計算機網絡，覆蓋12個國家，包含6個節點，8條鏈路。

2009年，科大國盾量子技術股份有限公司唐世彪及團隊同事研制出中國首臺單光子探測器，探測效率是進口產品的五倍多。

2010年，由日本多家公司與東芝歐洲研究中心，瑞士ID Quantique、奧地利All vienna研究組合作建立了東京量子密鑰分發網絡。

2012年，由中國科學技術大學和安徽量子通信技術有限公司承建的合肥城域量子通信試驗示范網正式建成，合肥市由此成為中國乃至全球首個擁有規模化量子通信網絡的城市。

2014年，量子保密通信“京滬干線”項目通過評審并開始建設，計劃建成北京和上海市之間，基于安全授信節點密碼中繼，距離超2000km的國際首個長距離光纖量子保密通信骨干線路。

2016年，中國研制成功并發射國際上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，在國際上率先實現星地量子通信實驗，充分驗證了基于衛星的量子通信技術的可行性。

2017年9月29日，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通。結合“京滬干線”與“墨子號”的天地鏈路，中國科學家成功實現了洲際量子保密通信。

2019年，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等和維也納大學塞林格小組合作，在國際上首次成功實現高維度量子體系的隱形傳態。這是自1997年實現二維量子隱形傳態實驗以來，科學家第一次在理論和實驗上把量子隱形傳態擴展到任意維度，為復雜量子系統的完整態傳輸以及發展高效量子網絡奠定了堅實的科學基礎，論文以編輯推薦的形式于8月15日發表在國際學術期刊《物理評論快報》上。

2020年，中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、徐飛虎等利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上首次實現量子安全時間傳遞的原理性實驗驗證，為未來構建安全的衛星導航系統奠定了基礎。該成果于5月11日在線發表在國際學術期刊《自然-物理》上。

同年6月15日，中國科學院宣布，“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上首次實現千公里級基于糾纏的量子密鑰分發。該實驗成果不僅將以往地面無中繼量子密鑰分發的空間距離提高了一個數量級，并且通過物理原理確保了即使在衛星被他方控制的極端情況下依然能實現安全的量子密鑰分發，國際學術期刊《自然》（Nature）于2023年6月15日在線發表了這一成果。

2022年1月，中國科學技術大學研究團隊實現833公里光纖雙場量子密鑰分發，將安全傳輸距離世界紀錄提升了200多公里，將安全碼率提升了50-1000倍。

2022年4月13日報道，中國科學家設計出一種相位量子態與時間戳量子態混合編碼的量子直接通信新系統，成功實現100公里的量子直接通信。該研究成果由北京量子信息科學研究院、清華大學龍桂魯教授團隊和陸建華教授團隊共同攻關，發表于最新一期《Light-Science & Applications》期刊在線版。

2022年8月，中國科學技術大學潘建偉院士科研團隊與中國科學院大學杭州高等研究院長王建宇院士團隊，通過”天宮二號“和4個衛星地面站上的緊湊型量子密鑰分發（QKD）終端，實現了空——地量子保密通信網絡的實驗演示，相關論文刊登在國際知名學術期刊《光學》上。

2022年，法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學家約翰·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利物理學家安東·塞林格（Anton Zeilinger）三人被授予諾貝爾物理學獎以表彰他們“用糾纏光子實驗，驗證了量子力學違反貝爾不等式，開創了量子信息科學。他們的研究為基于量子信息的新技術奠定了基礎，包括量子計算、量子信息的傳輸和存儲，以及量子加密算法等。

2023年3月9日，北京量子信息科學研究院袁之良團隊首創量子密鑰分發開放式新架構，采用光頻梳技術，成功實現615公里光纖量子通信。該架構在確保量子通信安全性的同時，能大幅降低系統建設成本，為中國建設多節點廣域量子網絡奠定基礎。相關成果日前發表于國際學術期刊《自然-通訊》（Nature Communications）。

2023年3月，中國科學技術大學潘建偉、徐飛虎等與中國科學院上海微系統與信息技術研究所、濟南量子技術研究院、哈爾濱工業大學等單位的科研人員合作，通過發展高保真度集成光子學量子態調控、高計數率超導單光子探測等關鍵技術，首次在國際上實現百兆比特率的實時量子密鑰分發，實驗結果將此前的成碼率紀錄提升一個數量級：系統穩定運行超過50個小時，在傳輸距離328公里下碼率超過200b/s。該成果于2023年3月１4日在線發表于國際學術期刊《自然-光子學》（Nature Photonics）。2023年6月21日，從北京量子信息科學研究院獲悉，該研究院袁之良團隊與南京大學尹華磊合作，首次在實驗上實現了打破安全碼率-距離界限的異步測量設備無關量子密鑰分發（也稱模式匹配量子密鑰分發），成功實現508公里光纖量子通信，以及破紀錄的城際密鑰率和雙光子干涉距離。2023年12月14日，在俄羅斯國立科技大學和俄羅斯量子中心(俄羅斯負責制造量子計算機的主要機構)任職的阿列克謝·費多羅夫表示，中俄兩國已于2022年成功進行了首次“完整周期”量子通信測試。2025年，中國科研團隊創新提出長距離大規模可擴展全連接量子直接通信理論架構，并成功實現四節點間300公里級量子直接通信網絡，相關研究成果發表于《科學通報》（Science Bulletin）。

2026年2月12日，北京大學物理學院宣布，該院現代光學研究所王劍威教授、龔旗煌教授團隊與電子學院常林研究員團隊，在國際頂級學術期刊《自然》上發表了題為“基于集成光量子芯片的大規模量子通信網絡”的突破性研究成果，標志著北京大學科研團隊構建出首個大規模量子通信芯片網絡。

2026年2月，國盾量子副總工程師唐世彪及團隊同事研制的一款搭載第六代雙通道單光子探測器的量子通信設備已進入最后的性能調測階段。

量子通信的實現

光具有波動性，也就是光在傳播過程中，是一邊振動，一邊往前走，振動可以是空間內垂直于傳播方向的任意方向。但是我們可以在中途加一個偏光器，讓振動方向垂直偏光器的光才能通過。這樣一來，通過的光亮度會大大減弱，從而減少眼睛的負擔。

在二維空間上，它是X和Y，在三維空間則是X、Y、Z這三軸，把這兩組基底想象成偏振器，當一束光通過某個基底后，只有這個方向偏振的光子被保留下來，也就是說這個光子的偏振狀態是唯一的。好比一根繩子穿過籬，抓住一頭上下甩動，籬笆對于繩子就像“透明”的，不會干擾繩子擺動，但如果左右擺動，繩子的波就被籬笆阻擋了。

以從A到B的密鑰傳輸為例：

首先，發信人A用水平垂直基底和斜45°基底對光子進行制備，并對制備后的偏振狀態進行賦值。比如分別把他們在X軸偏振的光子記為1，Y軸偏振的記為0。也就是說，從水平垂直基底上篩出的光子，如果偏振狀態表現出是0°，則代表二進制數1；如果是90°，則代表二進制數0。之后，A隨機選擇一批具有一定偏振狀態的光子，通過正常的信道逐個發送給收信人B。此時，光子的賦值可以記作一個長度為N的二進制串。B在接收到A的光子后，隨機選擇一種基底進行測量。如果B和A選擇的是一樣的基底，那么測出來的結果就會跟A的賦值一樣。如果選錯了基底，光子就會無法通過，呈現出完全隨機的表現。因為只有0和1這兩種賦值，所以在這種情況下，錯誤率是50%。

在這之后，B把測量結果通過其他信道，比如公開打電話之類的，跟A進行核對。他不需要告訴A具體收到什么結果，只要告訴A他選取了什么基底就足夠了。這樣就能剔除錯誤結果，保留正確的結果，從而形成長度為M（M密鑰。這時，A已經知道B測量光子用的基底序列，于是每次A給B發隨機脈沖時，同時附上一份對錯序列表。B收到脈沖以后，用對錯表跟自己的測量結果進行比對。這樣一來，他就知道哪幾位上的數字是對的，從而獲得正確的密鑰。

量子通信分類

通常來講，量子通信分為兩種，另外一種是量子隱形傳態；一種是量子密鑰分發。前者是利用量子的不可復制性以及測量的隨機性來生成量子密碼，給傳統的數字通信加密；而后者則是利用量子糾纏直接傳送量子比特。量子隱形傳態是為了給未來的量子計算機之間的通信使用。

量子隱形傳態基于量子糾纏對分發與貝爾態聯合測量，實現量子態的信息傳輸，其中量子態信息的測量和確定仍需要現有通信技術的輔助。量子隱形傳態中的糾纏對制備、分發和測量等關鍵技術有待突破，目前處于理論研究和實驗探索階段，距離實用化尚有較大差距。

量子密鑰分發，也稱量子密碼，借助量子疊加態的傳輸測量實現通信雙方安全的量子密鑰共享，再通過一次一密的對稱加密體制，即通信雙方均使用與明文等長的密碼進行逐比特加解密操作，實現無條件安全的保密通信。經過近三十年的發展，量子密鑰分發從理論協議到器件系統初步成熟，目前已有小規模的試點應用和初步產業化趨勢。以量子密鑰分發為基礎的量子保密通信成為未來保障網絡信息安全的一種非常有潛力的技術手段，是量子通信領域理論和應用研究的熱點。

量子態隱形傳輸

由于量子糾纏是非局域的，即兩個糾纏的粒子無論相距多遠，測量其中一個的狀態必然能同時獲得另一個粒子的狀態，這個“信息”的獲取是不受光速限制的。這種跨越空間的糾纏態用來進行信息傳輸，基于量子糾纏態的量子通訊便應運而生，這種利用量子糾纏態的量子通訊就是“量子隱形傳態”（quantumteleportation）。

量子隱形傳態的過程（即傳輸協議）一般分如下幾步：

（1）制備一個糾纏粒子對。將粒子1發射到A點，粒子2發送至B點。

（2）在A點，另一個粒子3攜帶一個想要傳輸的量子比特Q。于是A點的粒子1和B點的粒子2對于粒子3一起會形成一個總的態。在A點同時測量粒子1和粒子3，得到一個測量結果，測量會使粒子1和粒子2的糾纏態坍縮掉，但同時粒子1和和粒子3卻糾纏到了一起。

（3）A點的一方利用經典信道（就是經典通訊方式，如電話或短信等）把自己的測量結果告訴B點一方。

（4）B點的一方收到A點的測量結果后，就知道了B點的粒子2處于哪個態。只要對粒子2稍做一個簡單的操作，它就會變成粒子3在測量前的狀態。也就是粒子3攜帶的量子比特無損地從A點傳輸到了B點，而粒子3本身只留在A點，并沒有到B點。

以上就是通過量子糾纏實現量子隱形傳態的方法，即通過量子糾纏把一個量子比特無損地從一個地點傳到另一個地點，這也是量子通訊目前最主要的方式。需要注意的是，由于步驟（3）是經典信息傳輸而且不可忽略，因此它限制了整個量子隱形傳態的速度，使得量子隱形傳態的信息傳輸速度無法超過光速。

因為量子計算需要直接處理量子比特，于是“量子隱形傳態”這種直接傳的量子比特傳輸將成為未來量子計算之間的量子通信方式，未來量子隱形傳態和量子計算機終端可以構成純粹的量子信息傳輸和處理系統，即量子互聯網。

量子密鑰分發

量子密鑰分發（Quantum Key Distribution, QKD），是一種密鑰的安全傳輸方式，可以在兩個相距遙遠的通信端之間進行密鑰的發送。在保密通信的過程中，需要用密鑰加密解密信息，密鑰的安全性保證了信息的安全性。

與傳統方式不同，量子密鑰分發理論上是無條件安全的，其安全性由量子力學的基本原理保證。量子不可克隆定理說明，無法完美克隆任意量子態。因此，任何對量子密鑰分發過程的竊聽，都有可能改變量子態本身，造成高誤碼率，從而使竊聽被發現。一般來說，QKD過程中對量子態的傳輸，是依靠對光子進行編碼、傳輸、測量實現的。

在量子密鑰分發中，通信雙方首先對單光子進行隨機的偏振態調制和測量，之后根據調制和測量結果進行協商、糾錯和信息處理，最終獲得共享的量子密鑰。由于單光子的隨機偏振具備量子疊加態的特征，任何竊聽行為都將導致量子態的坍縮和信道誤碼率的上升從而被通信雙方察覺。其密鑰傳輸的安全性基于物理特性和編碼協議，不依賴計算復雜度，從而也排除了對于密碼進行計算破解的可能性。在量子密鑰分發系統中，單光子源尚不成熟，集成誘騙態調制的弱相干脈沖源是現實選擇，而光子探測器和隨機數生成器等器件性能對于密鑰生成速率和傳輸距離等性能指標也具有重要影響。量子密鑰分發結合一次一密加密可以在理論和協議層面提供無條件安全性，但實際器件和系統的非理想特性仍然會成為可能被竊聽者利用的安全漏洞，不斷檢驗和完善量子密鑰分發系統的現實安全性也是量子通信技術發展的重要方向。

由于量子密鑰分發系統在協議原理、組網方式、器件性能和現實安全性等方面存在局限，商用化系統的安全密鑰速率僅為約10kbit/s量級，現網傳輸距離約100km左右，實驗報道的最高密鑰速率約為2Mbit/s量級（約40km傳輸距離時），光纖傳輸距離最高約200km（約1kbit/s密鑰速率時）。量子密鑰分發目前主要面向城域范圍的語音加密應用，隨著協議、器件和系統技術的發展與改進，有望提高密鑰速率和傳輸距離，逐步擴展到干線高速傳輸的加密應用。

量子通信基本方法

實用化點對點量子通信

實用化點對點量子通信要求隨機改變相干態脈沖強度而測出單光子計數率。以此為輸入參數提煉出最終碼，采用該法所得最終碼，其安全性與用理想單光子源所獲最終碼等價。對于弱相干態光源所發射的脈沖，有一部分是多光子脈沖，一部分是單光子脈沖。誘騙態方法的主要功能是測算在接受端Bob的探測結果（初始碼）中，有多少起源于發射端（Alice端）光源的單光子脈沖，多少起源于發射端的多光子脈沖。基于這個至關重要的參數,就可以提煉出安全的最終碼，其安全性等同于只用了由發射端單光子脈沖產生的那部分初始碼而拋棄了多光子脈沖產生的那部分初始碼，在安全性方面最后的效果就等同于使用了理想單光子源。

量子網絡通信

輔以光開關技術后，誘騙態方法還可用以實現量子通信網絡。由于沒有量子存儲器，這種網絡的量子密鑰分發距離不能超越點對點的量子密鑰分發距離。然而，網絡上的任何兩個用戶可以通過光開關切換實現量子密鑰分發。中國在2009年實現了 3 節點的鏈狀量子通信網絡，為世界上首個基于誘騙態方案的量子語音通信網絡系統，實現了實時網絡通話和三方對講功能，演示了無條件安全的量子通信的可實用化。此成果很快被美國《Science》雜志以 “量子電話” 為題進行了報道，亦被歐洲物理學會《物理世界》以 “中國誕生量子網絡” 為題做了專題報道。2009年8月，中國科學技術大學潘建偉小組在合肥市建成了一個星型 5 節點全通量子電話網絡。

量子中繼與遠程量子通信

目前采用誘騙態方法的最遠實驗距離是200km。盡管隨著檢測技術的提高，該距離還會進一步提高，但由于成碼率隨著距離呈指數衰減，而單量子態信號又不能在中途放大，因此，基于經典相干態光源的誘騙態方法很難直接完成全球化量子通信任務。

遠程量子通信的最終實現將依賴于量子中繼，其基本思想為：在空間建立許多站點，以量子糾纏分發技術先在各相鄰站點間建立共享糾纏對，以量子存儲技術將糾纏對儲存。采用遠距離自由空間傳輸技術實現量子糾纏轉換，即增長量子糾纏對的空間分隔距離，如果預先將糾纏對布置在各相鄰站點，糾纏轉換操作后便可實現次近鄰站點間的共享糾纏。繼續操作下去，原則上可以實現在很遠的兩個站點間建立共享糾纏，即實現遠距離量子通信。量子中繼的具體工作過程為：在光子到達最遠傳輸距離之前接收其信號，先存儲起來，再讀出這個信號，最后以單光子形式發送出去。

諾貝爾物理學獎與量子通信

貝爾不等式的根源來自于1935年阿爾伯特·愛因斯坦、波多斯基和羅森三人提出的一個佯謬，也就是EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯謬：要么量子理論是不完備的，要么量子力學會導致超光速的作用，與局域性相違背。EPR佯謬并沒有質疑量子力學的正確性，而是質疑量子力學的不完備性。

1964年，英國物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾定義了一個可觀測量，并基于局域隱變量理論預言的測量值都不大于2，而用量子理論，可以得出其最大值可以到2√2。一旦實驗測量的結果大于2，就意味著局域隱變量理論是錯誤的。此前貝爾一直站在阿爾伯特·愛因斯坦一方，貝爾研究隱變量理論的初衷是要證明量子理論非局域性有誤，可后來所有實驗都表明局域隱變量理論預言有誤，而量子理論的預言與實驗一致。貝爾不等式的誕生宣告量子理論的局域性爭議從帶哲學色彩純粹思辨變為實驗可證偽的科學理論。

美國理論和實驗物理學家約翰·克勞澤（John F. Clauser）建造了一個儀器，一次發射兩個糾纏在一起的光子，每個光子都發射向一個測試其偏振的過濾器。1972年，他與博士生斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman）（1944-2012）一起，展示了一個明顯違反貝爾不等式的結果，并與量子力學的預測一致。

在隨后的幾年里，約翰·克勞澤和其他物理學家繼續討論該實驗及其局限性，其中一點是，該實驗在產生和捕捉粒子方面普遍存在不科學的地方，測量也是預先設定好的，過濾器的角度也是固定的。消除這個特殊的漏洞是很困難的，因為糾纏在一起的量子態是如此脆弱和難以管理；有必要處理單個光子。

隨后法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect)建立了一個新版本的裝置，并在幾次反復中進行了完善。在他的實驗中，他可以登記通過過濾器的光子和那些沒有通過的光子。這意味著更多的光子被檢測到，測量結果也更好。在他測試的最后一個變體中，他還能夠將光子引向兩個不同角度的過濾器。一種策略是在糾纏的光子產生并從其源頭發出后再切換它們的方向。濾波器只相距六米，所以切換需要在幾十億分之一秒內發生。如果關于光子將到達哪個過濾器的信息影響了它從源頭發射的方式，那么它就不會到達那個過濾器了。實驗中一側的濾光器的信息也不可能到達另一側并影響那里的測量結果。用這種方法，阿蘭·阿斯佩就彌補了一個重要的漏洞，并提供了一個非常明確的結果：量子力學是正確的，不存在隱變量。

1998年，安東·塞林格（Anton Zeilinger）等人在奧地利因斯布魯克大學完成貝爾定理實驗，徹底排除定域性漏洞，實驗結果具有決定性；2015年，安東·塞林格（Anton Zeilinger）進行了一項實驗，并因該實驗無任何漏洞被譽為“無漏洞”，這個實驗證明了貝爾不等式不成立，同時排出定域性漏洞和測量漏洞。

應用價值

量子通信在軍事、國防、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，不僅可用于軍事、國防等領域的國家級保密通信，還可用于涉及秘密數據和票據的電信、證券、保險、銀行、工商、地稅、財政等領域和部門，而技術又相對成熟，未來市場容量極大。

在國防和軍事領域，量子通信能夠應用于通信密鑰生成與分發系統，向未來戰場覆蓋區域內任意兩個用戶分發量子密鑰，構成作戰區域內機動的安全軍事通信網絡；能夠應用于信息對抗，改進軍用光網信息傳輸保密性，提高信息保護和信息對抗能力；能夠應用于深海安全通信，為遠洋深海安全通信開辟嶄新途徑；利用量子隱形傳態以及量子通信絕對安全性、超大信道容量、超高通信速率、遠距離傳輸和信息高效率等特點，建立滿足軍事特殊需求的軍事信息網絡，為國防和軍事贏得先機。在國民經濟領域和部門，量子通信可用于金融機構的隱匿通信等工程以及對電網、煤氣管網和自來水管網等重要基礎設施的監視和通信保障，促進經濟發展。

研究進展

前沿理論及成果

2019年，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等和維也納大學塞林格小組合作，在國際上首次成功實現高維度量子體系的隱形傳態。這是自1997年實現二維量子隱形傳態實驗以來，科學家第一次在理論和實驗上把量子隱形傳態擴展到任意維度，為復雜量子系統的完整態傳輸以及發展高效量子網絡奠定了堅實的科學基礎。

2022年8月，中國科學技術大學潘建偉院士科研團隊與中國科學院大學杭州高等研究院長王建宇院士團隊，通過”天宮二號“和4個衛星地面站上的緊湊型量子密鑰分發（QKD）終端，實現了空——地量子保密通信網絡的實驗演示。

2022年，中國科學家團隊設計出一種相位量子態與時間戳量子態混合編碼的量子直接通信新系統，成功實現100公里的量子直接通信。這是目前世界最長的量子直接通信距離，此前公開發表的成果中，量子直接通信的最長距離為18公里。

2023年3月9日，北京量子信息科學研究院袁之良團隊首創量子密鑰分發開放式新架構，采用光頻梳技術，成功實現615公里光纖量子通信。該架構在確保量子通信安全性的同時，能大幅降低系統建設成本，為中國建設多節點廣域量子網絡奠定基礎。

各國進展

美國

2022 年美國通過《芯片與科學法案》，推進對量子計算領域的關鍵技術研發和商業化。從財政投入來看，美國政府對量子信息領域的研發投入在 2019—2022 四年間，每個財年分別撥款了4.35 億（實撥）、5.79 億（實撥）、6.99 億（預算額）以及 8.77 億（申請額）美元，年度增長率高達 25%以上。為了支撐和管理國家量子計劃，美國成立了國家量子協調辦公室、國家量子計劃咨詢委員會、量子信息科學小組委會等機構，同時聯合國家實驗室、科技巨頭企業、高等科研機構、國際盟友等共同組建頂尖科研綜合體，結成了芝加哥量子聯盟、量子信息邊緣聯盟、馬里蘭州量子聯盟等，設立了下一代量子科學與工程中心、量子優勢聯合設計中心、量子系統加速器等科學中心。

歐盟

2022年，歐盟提出“全面統籌量子技術工業和研發計劃”，概述了量子計算、量子模擬、量子通信等領域在未來十年的發展路線圖；同時，旗艦計劃還指出培訓具有交叉學科背景的“量子工程師”或是更普遍的具備量子意識的勞動力應成為量子信息領域發展的重大目標之一，提倡在全歐推廣覆蓋高中教育和大學教育和產業工人培訓的量子教育項目。

英國

2023年3月，英國科技、創新與技術部發布《2023 國家量子戰略》，計劃在未來10年將英國打造為一個領先的量子經濟體，以量子技術促進國家繁榮與安全。此外，英國尤其重視量子領域的企業培育，通過設立“產業戰略挑戰基金” 和舉辦“量子挑戰賽”等方式。支持企業深度參與項目投資和技術研發，以最大程度實現包括量子計算機、量子通信等量子技術的潛在商業價值轉化。

中國

2009年，國盾量子唐世彪及團隊同事研制出中國首臺單光子探測器，探測效率是進口產品的五倍多。

2016年，中國發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，開始進行長距離量子傳輸。2020年，“墨子號”團隊開始同俄羅斯團隊合作。2022年3月1日，中俄兩國之間進行了首次“完整周期”量子通信測試。

2023年8月1日，中國工業和信息化部發布的《量子保密通信網絡架構》（YD/T 4301-2023）、《量子密鑰分發（QKD）網絡網絡管理技術要求第1部分：網絡管理系統（NMS）功能》（YD/T 4302.1-2023）、《基于IPSec協議的量子保密通信應用設備技術規范》（YD/T 4303-2023）等三項量子保密通信相關的通信行業標準落地實施。前述三項標準由中國信息通信研究院、國科量子通信網絡有限公司、國盾量子(688027)等共同參與制定，從設計、部署、管理等方面進一步規范了量子保密通信網絡的建設，并對量子保密通信產品設計和安全測評提供權威指導，推動有關設備產品的安全應用。

2023年12月30日，據參考消息援引香港特別行政區《南華早報》網站報道，中國與俄羅斯已經建立了借助中國量子科學實驗衛星傳輸的安全密鑰進行加密的量子通信。

2025年2月22日，北京量子信息科學研究院表示，中國科研團隊提出了單向量子直接通信理論，并成功研制出實用化系統，創造了在104.8km標準光纖通信實驗測試中連續168小時、速率為2.38kbps的穩定傳輸紀錄，量子直接通信從理論構想邁向實際應用階段。3月20日，從中國科學技術大學了解到，學校潘建偉、彭承志、廖勝凱等與國內外多個科研團隊合作，在國際上首次實現量子微納衛星與小型化、可移動地面站之間的實時星地量子密鑰分發，在單次衛星通過期間實現了多達100萬比特的安全密鑰共享，并在中國和南非之間相隔12900多公里的距離上建立了量子密鑰，完成對圖像數據“一次一密”加密和傳輸，為實用化衛星量子通信組網鋪平了道路。相關研究成果于同年3月20日在國際學術期刊《自然》在線發表。5月，中國科研團隊創新提出長距離大規模可擴展全連接量子直接通信理論架構，并成功實現四節點間300公里級量子直接通信網絡，相關研究成果發表于《科學通報》（Science Bulletin）。上海交通大學教授陳險峰、上海電力大學教授李淵華團隊以北京量子信息科學研究院副院長、清華大學教授龍桂魯團隊的量子直接通信理論為基礎，展開了進一步研究。在最新研究中，科研人員創新性地采用雙泵浦光參量下轉換技術，構建起具有高抗干擾能力的量子糾纏分發系統。實驗結果顯示，通信后各節點間共享量子態保真度仍保持在85%以上，驗證了該方案在長距離通信中的可靠性。經300公里傳輸后到達接受節點的光子對數仍達300~400Hz（赫茲），這意味著經過編碼后，理論通信速率可達每秒數比特。