那些反对的人主要是说，量子通讯就是扯淡，是玩概念，根本不可能实现。其中怀疑最大的就是单光子发射和接收，认为光子是世界上最小的东西，到底多小至今无人知道，人类怎么可能能够捉住一个光子发射出去呢？
但事实是，量子通讯还真的就是依靠一个个单光子传输，这样才能够获得无法破解的保密性。但这个单光子并非某些人凭生活常识想象的那样，像捉豆子那样一个个捉到，再把它通过某种d弓类装置发射出去。
量子通讯的三大核心技术为：单光子源技术、量子编码和传输技术、光子检测技术。这其中最重要的就是“捉住”单光子，并把它传输出去。这是如何实现的呢？我们来分享一下。
光子是光量子的简称，是传递电磁相互作用的媒介子，是一种基本粒子，具有规范玻色子性质。光量子的概念是爱因斯坦于1905年首先提出，1926年由美国物理化学家吉尔伯特·路易斯正式命名。
1901年，德国物理学家普朗克发现物质发出能量和吸收能量具有不连续性特征，提出能量是一份一份发出的能量子假设，并计算出了最小能量的常量，被称为普朗克常量，这是量子力学的开山之作。
爱因斯坦从普朗克量子理论中得到启发，1905年发表了《关于光的产生和转化的一个试探性观点》的论文，认为光和原子电子一样也具有粒子性，提出“光量子”理论，完美地解释了光电效应，创立了光电效应定律，由此获得1921年诺贝尔物理学奖。
光子具有所有基本粒子共有的特性，即波粒二象性，以波的形式传播，且是一份一份非连续发出。光子一出生就以每秒约30万千米真空速度运动，永远不会停下来，因此没有静质量，但有动量。每个光子能量为：E=hv=hc/λ，即能量E等于普朗克常数乘以频率。
普朗克常数约等于6.626*10^-34J/s（焦耳/秒）；每个光子的动量为： p=E/c=h/λ。这几个公式里的 λ表示波长，c表示光速，v表示频率，E表示能量，p表示动量。
由此可以看出，各种光子的能量是不同的，波长越短频率越高的光子能量就更强，反之则更弱。光子是宇宙中数量最多的存在，无论是白天还是黑夜，在我们周围都充满了光子，随便手一拍，就有无数的光子打在我们的手心手背上。
我们人类感受这个世界完全是依靠电磁波，也就是所谓的电磁相互作用力，而光子就是电磁波的传递媒介，因此电磁波也可以说是光波的总称。电磁波波长从长到短分别被人们划分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
这些“光波”人类肉眼只能看到可见光部分，其余波段和频率的“光波”只能用仪器侦测。电磁波的波长从数公里到10^-30米（亿亿亿分之一米以下）不等，无线电波（包括长波、中波、短波、微波）最长，频率最低，能量最弱；伽马射线波长最短，频率最高，能量最强。
电磁波波速为光速，因此波长与频率的关系遵循公式：λ=c/v或v=c/λ。
光子极小，而且极多，一支10瓦的灯泡，发出的能量约10J/s，如果这10J的能量发出的都是可见光波段的话，其波长就约在380~760nm之间，我们去一个平均值为570nm，根据前面的公式，就可以计算出每个光子能量约为3.5*10^-19J，1个10J的灯泡每秒钟发出的光子数就有约2.86*10^19个，就是28.6亿亿个光子。
光本身就携带能量，因此用光通讯早就是常用的方法了。但所谓量子通讯，与常规通讯的最大区别就是安全，是采用单光子传输，理想的单光子源就是每个脉冲中仅含1个光子。
前面说了，随便一束光都有无数光子，科学家们如何从这么多的光子中，把光子分成1个个分发出去呢？这就需要制造单光子源的机器。现代 科技 要制造出单光子源并不难，难的是高质量高效率的单光子源。
理论上，只要通过不断将一个既定能量的光脉冲不断衰减，就能得到所谓的单光子源。如脉动激光器，每个脉冲能量都是一定的，我们知道了既定波段或频率的光子能量，就能够计算出每个脉冲发出的光子数量，通过采用衰减片，将光束衰减足够的倍数，就能够达到每个脉冲所需发出的光子数了。
如某个脉冲激光发射器，原来每个脉冲发出100万个光子，把这束光衰减1000万倍，这样每个脉冲平均发射的光子就只有0.1个了，也就是10个脉冲里可能有1个脉冲会有1个光子，其他9个脉冲没有光子，这样这个脉冲激光器就成为单光子源了。
这种方法理论上还可以再稀释光子倍数，如稀释1亿倍甚至10亿倍，这样，就可能在100个甚至1000个脉冲里出现1次2个光子现象，这样似乎单光子获得率大大提升了。
目前，实验室的单光子源绝大多数是采用这种方法。但这种单光子源光子数服从泊松分布，严格来讲很难实现高效率单光子脉冲。因为这个随机过程并不会以人的意志为转移，有时候会出现1个脉冲包含2个光子的情况，这样就降低了量子通讯的可控性和安全性。
衰减倍数越大，得到单光子的概率会提高，但没有光子的空脉冲就越多，效率就大大降低了。因此，这种傻瓜式的精度提升，与效率背道而驰。
所以， 一个完美的单光子源，需要同时满足确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率，这是四个几乎相互矛盾的严苛条件，解决这个矛盾， 这才是技术难点 。
由此，科学家们又研究出许多获得单光子源的方法，其中量子点单光子源是目前比较先进的方法。这种方法可以让量子点稳定地发出单个光子流，与其他单光子源相比，量子点单光子源具有较高的振子强度，较窄的谱线宽度，且不会发生 光退色 。
这种单光子源技术，美国斯坦福大学在2001年就研发出来了，大大降低了第二个光子产生的可能性；2002年东芝和剑桥大学合作，采用量子点结构的LED实现了电注入单光子发射；我国中科院半导体研究所在2007年成功实现了量子点单光子发射。
现在，我国在量子点单光子发射方面已经走在世界前列，以潘建伟院士为首的中科大团队首创了点脉冲共振激发技术，从根本上消除了量子点激子相干效应。采用这项技术，相比之前万分之一激发功率，就可确定地产生纯度为99.5%的高品质单光子，是国际公认制备高品质单光子的利器。
作为一般科普，这里就不过多罗列其中复杂的专业术语了，有兴趣的朋友可以百度搜阅有关资料。
这些技术包括单光子的编码和传输问题、光子检测和接收问题等等。
如单光子编码，就涉及到用偏振还是相位，就是采用偏振片还是半波片、各种干涉仪，如何处理编码过程带来的损耗等等。
远程传输是采用光纤，还是隔空无线传递，能够传递多远，通过什么方法中继，信号如何保持或放大，采取什么样的方式实现量子 密钥分发、量子隐形传态 ，如何解决传输过程中的安全与信号衰减问题。
而在接收终端，就必须有一台精确高效的单光子探测接收装置，也就是说接收到1个光子就能够敏感响应。这一点似乎并不是很难做到，因为人的眼睛只要有10个光子就能够感光，而青蛙的眼睛据说就能够看到单个光子。比较难的是，这个探测器要能够响应合适的波长范围，而且要高效反应，在高噪声环境实现高效通讯。
这些，中国已经取得突破。如 科技 大学郭光灿院士领导的团队与奥地利马库斯·休伯教授合作，成功实现了在高噪声环境下的高维量子通讯；以潘建伟为首的科学团队， 构建了全球首个星地量子通信网 ，实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发。
而意大利帕多瓦大学的研究人员，则在2019年就实现了超过20000公里的超远距离单光子交换传输，创造了新的世界纪录，这也证实了微型量子通讯在全球范围内实施的可能性。
从上述介绍可以看出，量子通讯早就已经从实验室推向了 社会 运用，如果还硬要说量子通讯是假的，就是选择性失明，睁开眼睛说瞎话了。
这里多说一句，量子通讯是 基于美国科学家1984年制定的BB84协议和之后改进的BBM92，以及2012形成的MDI-QKD协议，是国际上通用的量子密钥分发协议。其主要目的是 利用量子力学的不确定性原理和量子不可克隆性， 以光子的偏振态作为信息载体来传递密钥， 增加安全通讯的距离。
因此量子通讯与量子纠缠的超距超光速传输的诡异效应没有半分钱关系，如果有人刻意从这方面宣传诱导，将量子通讯神秘化，就有伪科学之嫌了。对此你怎么看？欢迎讨论，感谢阅读。
1. 光子被吸收，形成电子-空穴对(载流子对)。来源:肖恩·凯利/ NIST
在21世纪的高端通信中，信息以光脉冲流的形式传播，通常通过光纤电缆传播。每个脉冲可能只有一个光子那么微弱，光子是光的最小单位(量子)。这种系统的运行速度主要取决于接收端的探测器对这些光子的识别和处理速度和准确度。
现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家们发明了一种方法，可以以比现有最好技术快10倍的速度检测单个光子，出错率更低，检测效率更高，噪音更小。
“传统的通信和检测可以以惊人的速度运行，而量子系统需要对最微弱的脉冲具有极高的灵敏度，因此速度有限，”小组负责人艾伦·米格达尔(Alan Migdall)说。“将最高的灵敏度与实现高速率光子计数的能力相结合一直是一个长期的挑战。在这里，我们在同一台设备上突破了两种性能极限。”
NIST的创新需要对控制电子系统进行重大的重新设计，该系统围绕着一个被称为单光子雪崩二极管(SPAD)的主要探测器，在SPAD中，入射光子触发一个微小但可测量的跨越半导体的突发电流。SPADs不仅用于光通信，还用于激光雷达(雷达的高频对应物)和其他类型的3D成像，以及PET扫描，以及其他用途。
2. 所施加的偏置电压使电子和空穴加速。来源:肖恩·凯利/ NIST
在半导体上加一个电压。当光子撞击探测器时，它所吸收的能量将电子从半导体原子中踢出——这与太阳能电池板产生的光电效应相同。
释放的电子会被施加的电压加速，并引起一种链式反应，大量相邻原子释放出电子“雪崩”，就像一个小小的附加压力就会导致整座山的积雪坍塌一样。雪崩电流是输出信号。最后，通过用反电压淬火电流并恢复初始施加电压来复位该装置。因为雪崩涉及到如此大量的电子，让整个系统回到一个安静的状态，准备好检测另一个光子是一个挑战。
传统的SPAD每秒可以探测到100万到1000万光子。这似乎很快，但还不足以满足现代通信的发展需求。然而，提高税率一直是个问题，因为涉及到许多权衡。
3.加速的电子撞击其他电子，造成载流子对的雪崩。来源:肖恩·凯利/ NIST
例如，入射光子撞击的吸收层的厚度决定了设备捕获入射光子的可能性:厚的吸收层(大约0.1毫米，大约人类头发的宽度)有更高的捕获光子的可能性，因为它们的深度更大更薄的层有更大的机会让光子通过而不被发现。
但是吸收体越厚，需要的电压就越高。更高的电压会产生更大的雪崩——大到足以使设备过热，降低探测效率，同时增加杂散“余脉冲”的风险，即半导体中被困的电子在SPAD复位后引发二次雪崩。
为了减少后脉冲，必须在2纳秒(十亿分之一秒)或更少的时间内重置系统。传统的模块检测电流，然后进行骤停，但无法达到那么快的速度， 历史 上，厚吸波板的性能限制在每秒约1000万次或更少。一般认为厚吸波板不适合高速率计数。
4. 这种雪崩在结处产生快速增长的电流，可以被检测到。来源:肖恩·凯利/ NIST
为了克服厚吸收装置上的这些问题，NIST团队(他们的研究结果发表在《应用物理快报》上)开始为一种商用厚吸收装置SPAD试验一种先进的电子系统。
像许多这样的系统一样，SPAD是“门控”关闭和重复打开的——也就是说，它通过施加某一频率的交流电压连续复位。因此，SPAD产生雪崩的最长时间是门间隔。“这些类型的spad的典型门控频率被限制在不高于150兆赫，”NIST助理Michael Wayne说，他是该期刊文章的第一作者。[1兆赫兹是每秒一百万次。]
“这意味着SPAD能够雪崩6到7纳秒，”韦恩说。“虽然这看起来不像很长时间，但足够长到设备完全充满电荷——这会增加不必要的后脉冲——并在高计数率下变得足够热，从而降低检测效率。”用更高的频率来控制——从而缩短雪崩的最长持续时间——将会减少这两种影响。但由于雪崩不能长时间生长，它可能会变得太小，无法探测到由开启和关闭闸门引起的‘噪音’。”
5. 然后降低偏置电压，“淬火”半导体以去除现有的载波对。来源:肖恩·凯利/ NIST
为了克服这个问题，该团队开发了一种类似于噪音消除耳机的方法:应用一个完全抵消噪音的射频信号。这使得他们能够以每秒10亿周(1千兆赫，GHz)的速度 *** 作SPAD。
项目负责人乔舒亚·卞方(Joshua Bienfang)说，除去这些噪音，“我们能够发现极小的雪崩。”此外，高频率意味着栅极的开启时间只有500皮秒。[1个ps是万亿分之一秒。500ps等于半纳秒。这将导致雪崩电流平均减少约500倍，降低后脉冲和自热效应，并允许我们以每秒1亿的速度计数。”
6. 最后，将偏置电压提高到其初始状态，使器件复位。来源:肖恩·凯利/ NIST
“新的SPAD设计可以在量子通信和量子计算的应用中找到实际应用，”Migdall说。“这两种技术都提供了传统通信和计算无法提供的能力。这两种应用都将得益于更快、更低噪音的单光子探测器。”
“这种新颖的设计很可能会影响许多量子应用。它们的范围从更快的计数率和更低的噪声减少现有测量时间的单光子传感，到新兴的量子互联网，它严重依赖于单光子检测来进行量子通信和量子计算。这两方面都将对我们的 社会 和经济产生非常重大的影响。”
据外媒报道，未来研究人员可能会在量子计算机中使用电子自旋处理信息的信息技术。长期以来，能够在室温下使用基于自旋的量子信息技术一直是科学家们的目标。目前， 来自瑞典、芬兰和日本的研究人员已经构建了一种半导体组件，在这种组件中，电子自旋和光之间可以有效地交换信息--在室温及更高温度下。
众所周知，电子具有负电荷，而且它们还有另一个特性，即自旋。后者可能会被证明在信息技术的发展中发挥着至关重要的作用。简单地说，我们可以想象电子绕着自己的“轴线”旋转，就像地球绕着自转轴旋转一样。自旋电子学--未来信息技术的一个有前途的候选者--利用电子的这种量子特性来存储、处理和传输信息。这带来了重要的好处，比如比传统的电子产品速度更快，能耗更低。
近几十年来自旋电子学的发展是以金属的使用为基础的，这些发展对于储存大量数据的可能性来说非常重要。然而，使用基于半导体的自旋电子学会有几个优势，就像半导体构成当今电子学和光子学的骨干一样。
"基于半导体的自旋电子学的一个重要优势是可以将自旋态所代表的信息转换并转移到光上，反之亦然。这种技术被称为光自旋电子学。领导该项目的瑞典林雪平大学教授陈伟民说："它将使基于自旋的信息处理和存储与通过光的信息传输结合起来成为可能。"他说："光自旋电子学是一种基于自旋的电子学技术。
由于目前使用的电子器件都是在室温及以上的环境下工作，自旋电子学发展中的一个严重问题是，当温度升高时，电子的自旋方向往往会发生切换和随机化。这意味着电子自旋状态所编码的信息会丢失或变得模糊不清。因此，在室温和较高的温度下，我们能使基本上所有的电子都定向到相同的自旋状态，并保持这种状态，换句话说，它们是自旋极化的，这是发展基于半导体的自旋电子学的必要条件。以往的研究在室温下，电子自旋极化最高只有60%左右，无法实现大规模的实际应用。
目前林雪平大学、坦佩雷大学和北海道大学的研究人员已经实现了室温下电子自旋极化大于90%。即使在110 的高温下，自旋极化仍保持在较高的水平。这一技术进步在《自然光子学》上有所描述，它是基于研究人员用不同的半导体材料层构建的一种光自旋纳米结构。它包含称为量子点的纳米级区域。每个量子点约是人类头发的厚度的万分之一。
当自旋偏振的电子撞击在量子点上时，它就会发射光--更准确地说，它发射的是单光子，其状态（角动量）由电子自旋决定。因此，量子点被认为具有巨大的潜力，可以作为电子自旋和光之间传递信息的接口，这将是自旋电子学、光子学和量子计算所必需的。在最新发表的研究中，科学家们表明，可以利用相邻的自旋滤波器远程控制量子点的电子自旋，而且是在室温下。
量子点由砷化铟制成，一层砷化镓氮起到自旋过滤器的作用。它们之间夹着一层砷化镓。类似的结构已经被用于基于砷化镓的光电技术中，研究人员认为，这可以使自旋电子学更容易与现有的电子和光子元件集成。
“我们非常高兴的是，我们长期努力提高制造高度控制的含N半导体所需的专业知识，正在界定自旋电子学的新领域。到目前为止，我们在将这种材料用于光电子器件时取得了良好的成功，最近一次是在高效太阳能电池和激光二极管方面。现在，我们期待着继续这项工作，将光子学和自旋电子学结合起来，利用一个共同的平台来实现基于光和基于自旋的量子技术，”芬兰坦佩雷大学研究团队负责人Mircea Guina教授说。
什么是自旋电子学？
自旋电子学是一种利用电子的电荷和自旋来处理和传递信息的技术。
电子的自旋可以设想为当电子绕其轴线顺时针或逆时针旋转时产生，就像地球绕其轴线旋转一样。这两个旋转方向被称为 "向上 "和 "向下"。在当今的电子技术中，电子电荷被用来代表0和1，并以此来承载信息。相应的，在自旋电子学中也可以用电子的自旋状态来表示信息。
在量子物理学的世界里，一个电子可以同时拥有两个方向的自旋（从而处于1和0的混合状态）。当然，这在传统的 "经典 "世界中是完全不可想象的，也是量子计算的关键。因此，自旋电子学对于量子计算机的发展是很有前途的。
光自旋电子学就是将电子自旋状态所代表的信息传递给光，反之亦然。光，光子就可以通过光纤，非常迅速地、跨越长距离地将信息传递下去。电子的自旋状态决定了光的特性，或者说得更准确一些，它决定了光的电磁场会围绕着行进方向顺时针还是逆时针旋转，大致就像开瓶器可以有顺时针或逆时针的转动方向一样。
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