突破1000公里！墨子号敲开量子通信大门，可惜因安全问题未能推行

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在科学界，“墨子号”往往和量子通信联系在一起，因为它就是我国自主研发的量子科学实验卫星。据报道，“墨子号”突破了一千公里的量子密钥分发距离，达到了1120公里，实现了量子密钥分发在 历史 上跨越一千公里的传送，同时还将会叩开量子通信从实验室走向实际应用的大门。

那么什么是量子？什么是量子密钥？这种方式如何保证通信的安全性？下文将带您一起了解该成就和与其相关的问题。

何为量子？何为量子密钥分发？

量子这个概念很多人在网络上听得多了，都觉得它是一个高大上的词语，但并不知道它指的是什么。从量子物理的定义来看，量子指的是一切物质组成的最基本的单位，例如分子、原子、电子和光子，这些都可称为量子。

量子密钥分发，顾名思义就是将量子密钥发送出去。但由量子组成的密钥与普通计算机里的密钥不同，它的安全性更高一些。如果密钥在分发的过程中遭到第三方的盗窃，那么接收方和发送方立即就能察觉这件事，从而采取应对措施。

为何量子密钥的安全性如此高？

量子密钥的分发之所以会有如此高的安全性，是因为它同时利用了量子的两个特性，叠加性和不可复制性。叠加性是指量子可以是两种状态的叠加，而普通生物的状态是单一的，要么是生，要么是死，而量子可以同时保持完整的破碎。

这种特性决定了量子的不可复制性。如果量子密钥在传输的过程中被第三方接触了，那么密钥的状态就会立即改变，有可能向完整的方向改变，也有可能向破碎的方向改变，导致第三方无法得到正确的密钥。而接收双方在得知此事后，可以重新生成密钥进行分发和接收。

即使该方法很理想，但还无法得到实际应用，这是为何？

量子密钥的分发在理论上来说是一种安全度很高的通信方式，但这种方式自从被提出来后一直到现在都还未得到实际应用，主要有两方面的原因。一方面是这种方式因为信号损耗问题无法进行远距离传输，另一方面是现实设备还存在不少安全漏洞问题。

看到这可能会有朋友好奇，为什么量子在传递过程中还会产生信号损耗呢？实际上地球上任何信号在传播过程中都存在损耗现象，目前实验室里利用单光子作为物理载体来传输量子密钥，但是单光子在传输过程中会不断地被光纤通道吸收，导致距离越远信号的损耗就越大。

中继通信可解决该难题，但仍存在这方面的安全漏洞

在“墨子号”实现1120公里的量子密钥分发之前，国际上已经出现了500公里的成功案例，但之后并未出现重大突破。后来有科学家提出了采用中继通信来充当密钥分发的“接力站”，这就好比一个马拉松选手参加了10公里的比赛，正常人在比赛中需要经过一段时间就从路人手中接过水瓶进行水分补给。中继通信扮演的就是路人的角色，它为能量即将损耗完的量子密钥补给能量，好让它继续传播下去。

该想法确实不错，而且在现实中也得到了应用，前几年我国就利用该方法实现了7600公里的洲际量子通信。但这种方法还是存在安全漏洞，如果中继通信的技术掌握在其他国家手里，那么到了中继站的量子密钥则有可能被。因此在2017年我国实现了突破千里的量子纠缠分发后，中国科学技术大学的科学家潘建伟产生了新想法。

由量子纠缠引发的思考，基于量子纠缠的量子密钥分发可行否？

首先来了解一下量子纠缠的概念，它指的是两个或多个粒子之间不管距离有多遥远，在相互作用之后原本各自的独立特征就会形成综合特征，因此科学家可以通过测量其中一个粒子的状态来获知其他距离遥远粒子的状态。潘建伟正是想到了在量子纠缠的基础上进行量子密钥分发。

在初期理论中，基于量子纠缠的量子密钥分发会使得接受双方的密钥都拥有综合特征，因此其中一方只需要测得该方特征就能获知另一方特征，但在密钥分发过程中该方法失效。即使量子纠缠是由第三方发起的，接收方只要测得密钥的特征，同样能够获取密钥中的信息。这种方式消除了第三方量子密钥的可能性，从而极大提高分发安全性。

该研究发现意味着什么？量子密钥分发下一步将往哪走？

经过多团队、多位科学家的研究之后，基于量子纠缠的量子密钥分发的方案正式确定。该基础理论落地后，该庞大的研究团队先后经历了设备的更新、技术方法的改善，建立了一条从乌鲁木齐到青海长达1120公里的光链路，并最终以每秒钟012比特的成码率实现了量子密钥的分发。

综上所述，该研究团队打破了以往对量子通信的思维方式，将量子纠缠应用到量子密钥分发中，将“墨子号”原本的中继通信角色转化为“量子纠缠源头”的角色。对于他们的研究和发现，《自然》期刊的审稿人表示这是人类量子通信领域一座重要的里程碑，它将可能叩开量子通信从实验室走向实际应用的大门。

目前基于量子纠缠的量子密钥分发能以每秒钟012比特的速度生成，但以这种速度投入到实际应用中还远远不够。因此中国量子密钥下一步将朝着提高密钥成码率的方向发展，使其提升到每秒钟十几比特、几十比特，到那时相信人们会更加了解量子通信，也会体会到量子通信的优势所在。

WiFi技术：

WiFi方案的优势是技术成熟，单独的产品就可以接入公网，成本也是相对较低。

缺点则是WiFi设备一般功耗较大，在物联网领域中，供电是一个问题；

WiFi接入数量相对有限，一个家庭路由器一般只能接入几十个设备；

当然，WiFi方案在物联网初级阶段有较大优势，单独的WiFi模块依托路由器即可入网，优势明显，虽然接入数量不多，但是在物联网、智能家居未大规模普及的情况下，也可以满足大多数需求。

所以基于IoT UART串口WiFi模块WG219/WG229/WG231/LCS6260的WiFi方案更适用于对功耗要求不明显，不会大量部署的物联网产品，例如：智能电饭煲，智能空调、冰箱、洗衣机等传统家电设备接入物联网。

蓝牙技术：

蓝牙方案的主要优势在于蓝牙模块的超低功耗，而且通过app打开蓝牙与手机的交互比较简单。

SKB369/SKB501

目前随着蓝牙50模块SKB501（网页链接）、以及更多蓝牙50产品的上市，蓝牙技术的数据传输速度和覆盖范围等得到了巨大的提升，更加适用于物联网的要求。

所以，蓝牙方案适用于对功耗有要求，和手机可以直接交互的物联网产品，例如：智能门锁，智能秤，智能电动牙刷等，也适用于大规模蓝牙mesh灯控、蓝牙传感器网络的部署。

UWB技术：

超宽带技术是近年来新兴一项全新的、与传统通信技术有极大差异的通信无线新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有31~106GHz量级的带宽。目前，包括美国，日本，加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。

UWB技术是一种传输速率高，发射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。

超宽带室内定位技术常采用TDOA演示测距定位算法，就是通过信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。而超宽带室内定位系统则包括UWB接收器、UWB参考标签和主动UWB标签。定位过程中由UWB接收器接收标签发射的UWB信号，通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有效信息的信号，再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。

超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。根据不同公司使用的技术手段或算法不同，精度可保持在01 m~05 m。

什么是物联网？
有些人认为，顾名思义，”物联网是物物相连的互联网”，显然这是一个错误，这个顾着中文名思出来的义具有非常大的误导性。物联网的英文是”the internet of things”，仅对things进行翻译的话，指实体或者对象，技术人员比较容易理解实体或者对象的含义，它是将外在世界进行的数字化映射。当然，大家已经习惯叫做物联网。
　物联网专业究竟学什么？
然而，我们知道物联网技术不是对现有技术的颠覆性革命，而是通过对现有技术的综合运用。那么物联网专业究竟学什么？据了解，物联网工程专业开设基础课程和专业核心课程两大类，学生主要学习研究信息流、物质流和能量流彼此作用、相互转换的方法和技术，有着很强的工程实践特点。
物联网专业是一门交叉学科，涉及计算机、通信技术、电子技术、测控技术等专业基础知识，以及管理学、软件开发等多方面知识。作为一个处于摸索阶段的新兴专业，各校都专门制定了物联网专业人才培养方案。学生需要学习包括计算机系列课程、信息与通信工程、模拟电子技术、物联网技术及应用、物联网安全技术等几十门课程，同时还要打牢坚实的数学和物理基础。另外，优秀的外语能力也是必备条件，因为目前物联网的研发、应用主要集中在欧美等国家，学生需要阅读外文资料和应对国际交流。
由于物联网涵盖的领域很多，而本科阶段学生可以学到的东西又较为有限，总的来说，各个学校的物联网工程专业是结合了学校自身长处与物联网某个领域的”定向专攻”。很多物联网工程专业的学生总是在说：”我们专业好像和计算机专业学的差不多”、”感觉就是把网络工程换了个名字”。其实在专业课程设置上，物联网工程专业和传统的IT专业还是有较为明显的差异的。
据了解，物联网工程专业的学生除了要学习编程语言、网络等IT基础知识之外(应用层和传输层)，还需重点学习传感器、RFID、模式识别基础这些物联网感知层方面的知识。物联网本身是一个很大的圈子，而信息技术是物联网的基础和支柱，所以在大一大二的基础课程期间，物联网专业和计算机专业区别较小。而在后期专业方向上，物联网专业的学生接触的项目、课题会比计算机专业的更加宽泛、充实。
物联网专业就业
物联网工程专业从2011年才开始首次招生，目前为止还没有毕业生，所以，无法从往年的就业率来判断未来的就业情况，但我们可从行业的整体发展趋势和人才市场的需求等方面了解该专业未来的就业形势。
据北京科技大学物联网与电子信息系主任王志良教授介绍，该校第一批物联网专业的学生还没毕业，但已经得到了物联网行业企业的认可。有些知名企业向他们伸出了橄榄枝，邀请学生们进行实习。众所周知，去大企业实习，是很多应届毕业生进入名企的敲门砖。中科院院士、华东师大软件学院院长何积丰表示，未来的物联网技术要得到发展，需要在信息收集、改进、芯片推广、程序算法设计等方面有所突破，而做到这些的关键是如何培养人才。
因为物联网是个交叉学科，涉及通信技术、传感技术、网络技术以及RFID技术、嵌入式系统技术等多项知识，但想在本科阶段深入学习这些知识的难度很大，而且部分物联网研究院从事核心技术工作的职位都要求硕士学历，因此本科毕业生可从与物联网有关的知识着手，找准专业方向、夯实基础，同时增强实践与应用能力。
英语很重要！！！你必须能看懂外国人写的有关物联网的著作！英语不好会有影响！但是可以进大学恶补！

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