从 BB84 到量子通信网络：一个互联网研发的入门笔记

笔者入职了一个新的单位，岗位职责跟以前差不多，还是做架构设计和写代码，但是行业和以前的互联网有点不太一样，笔者所属的部门是搞量子应用相关的产品，所以笔者开始零碎但系统地学习这个领域的知识。

这个月初笔者参加了新员工培训，被猛猛打了一波鸡血，对这个行业充满了信心。同时笔者意识到，这个行业本身还是比较小众的，大部分人（包括笔者，也包括笔者最近面试的很多候选人）对什么是量子、量子能干什么、这个产业的现状和未来等都不是很了解。笔者决定认真地开一个坑，系统性地整理和总结一下学到的知识，也希望能帮助广大的跟笔者一样在互联网行业卷不动的中年程序员，对这个行业能多一点更具体的认知。如果有朋友看完以后想加入这个行业，请联系笔者。

量子力学本身不是什么新鲜玩意儿，早在 1900 年量子论就已经诞生了。我们现在常见的半导体、激光等技术和应用，都是量子力学带来的。2002 年学界提出了第二次量子革命的概念，更强调主动操纵量子叠加、量子纠缠等特性。到目前为止，第二次量子革命带来了量子通信、量子计算和量子精密测量三个主要的应用方向。

对于这个行业来说，国家的政策布局很明确。2025 年政府工作报告已将量子科技列入要培育的未来产业。除了老中，老美也很重视这个行业，并且在基础理论和应用落地上跟老中你追我赶，现在在部分领域还要稍稍领先我们一点。除了中美，其他的主要国家比如欧洲日韩，也都有一定投入和产出。

目前来说，老中在这个行业主要是国家队在发力，老美更多的是 IBM 和 Google 这种企业投入。川皇通过行政命令设定了跟量子产业相关的目标，看起来老美也要加大国家投入了。所以虽然笔者买股票什么的眼光非常 poor，但是笔者相信老中和老美的眼光，这个世界还有谁会同时质疑老中和老美的决定呢：P

量子纠缠起个头

笔者参与开发的产品，主要是对量子通信的应用落地探索，所以这第一篇，笔者想聊聊量子通信相关的内容。

说到量子通信，入职以前的笔者第一个想到的是，这怕不是用量子纠缠实现的吧（甚至笔者近期面试的很多候选人也都是这个想法）？如果是这样那就很怪了，量子纠缠不是号称纠缠的两个粒子，即使分别在银河系的两头，一个被测量导致坍缩，另一个也一秒不带犹豫的立马坍缩吗？这不就超光速了吗？狭义相对论不存在了？在这个主题上，笔者和大多数朋友，跟爱因斯坦在伯仲之间：P

新员工培训的第一课，集团董事长分享了一个特别形象的例子，让笔者有一种恍然大悟的感觉，这里迫不及待地想分享给大家：妈妈和女儿，无论两人距离多远，哪怕在地球的另一头，女儿生下孩子的那一刻，妈妈会同时获得外婆的身份。但是，女儿告诉妈妈她成为外婆的这个信息，还是得打电话或者视频，依赖经典的信道传递，所以信息传递不会超过光速。划重点了朋友们，“当上外婆”和“知道自己当上外婆”之间，隔着一通报喜电话。当然了，量子纠缠理论本身要比这个例子复杂得多，但是不重要，我们不需要了解那么细（并不是因为笔者还没搞懂：P）。

BB84 协议

目前来说，量子通信的一条很重要的工程路线是基于量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD），对于 QKD 来说，一个很重要的工程路线集基于 BB84 协议及其衍生方案，所以笔者想好好介绍一下这个协议。

在介绍 BB84 之前，让我们记住一些设定，记住就好，不需要问为什么（因为笔者也不一定知道）：

1. 信息学上一般会把通信的双方称作 Alice 和 Bob，窃听者一般被称作 Eve。
2. 一个量子比特（这里用光子的偏振态来编码）可以用不同的方式测量，BB84 通常使用两组测量基底，分别被称为 Z Basis （用 + 指代）和 X Basis （用 × 指代）。

这里的箭头表示光子的偏振方向

3. 对于一个光子来说，使用相同的基底测量，一定能拿到相同的结果，使用不同的基底测量，那就随机了，可能对也可能不对。
4. 对于一个光子来说，测量会导致坍缩，所以想确保拿到正确的值，有且仅有一次机会：用正确的基底测量。

现在 Alice 和 Bob 想通信，出于安全考虑他们有加密的诉求，这要求他们先有一份相同的密钥：Alice 用它加密，Bob 用它解密。在不安全的公共网络上直接把密钥明文发给对方，那这个加密就变得很可笑了，所以 Alice 和 Bob 需要一个机制，能够安全地交换这个密钥。笔者之前复习了 HTTPS 协议的工作机制，梳理了经典密码学中的密钥交换机制。现在我们脑子里突然多出了上面那 4 条设定，让我们来尝试换一种方式。

1. Alice 生成随机 bit 串，比如 1 0 1 1 0 0 1 0，然后为每个 bit 随机选一个基底，比如 + × + × × + + ×，基于此 Alice 给 Bob 发送了一个序列的量子态（未测量的光子） ↑ ↗ ↑ ↘ ↗ → ↑ ↗。
2. Bob 收到 Alice 发来的序列，随机选择基底，比如 + + × × × + × ×，然后挨个进行测量，得到 1 ? ? 1 0 0 ? 0，这里的 ? 因为选了不同的基底，可能跟 Alice 的相同也可能不同，这不是关键。
3. 两人公开比对自己的基底，发现第 1、2、6 位没对上，那这三位的 bit 就扔掉不要，剩下的理论上应该一样，可以拿来做密钥。这里为什么是 1、2、6 呢，因为笔者是最好的语言 Java 程序员，序列从 0 开始：P
4. 两人公开约定拿留下来的信息的一部分做比对，比如第 0、7 位，公开比对各自的信息，都是 1 0，说明本次交换成功，把剩下的第 3、4、5 位的信息，也就是 1 0 0 做密钥。

发现了吗，整个过程进行到现在，最终用作密钥的 1 0 0 bit 串从未在公开的信道上出现过。那么现在我要恭喜你，你发明了大概理解了 BB84 协议。

为什么 BB84 在理论上安全

请再读一遍设定 4，以及过程 4，好好理解一下。

现在 Eve 在过程 1 和 2 之间截住光子，但是她不知道 Alice 用的是哪套基底，只能先猜一个，测完再补发一个给 Bob。

比如 Alice 发的是 →，Bob 也准备用「→ / ↑」来测，本来应该稳稳读到 0。Eve 却选了「↗ / ↘」，她测完后按自己的结果补发的就是 ↗ 或 ↘。Bob 再用「→ / ↑」去测，结果变得不确定，就可能读出 1。

原本该一致的地方，因为中间多了一次偷看，出现了不一致。 这就是过程 4 有用且必要的原因，Eve 的出现，会使得误码率从理想状态下的 0 骤升至 25%。

那 Eve 能不能先复制一份，等双方公布方式后再读副本？对不起，不行，未知量子态是无法被复制的。这叫量子不可克隆定理。

从 BB84 到中国的量子通信网络

BB84 是 Charles Bennett 和 Gilles Brassard 在 1984 年提出的，1989 年才有了首次实验演示，到 2004 年美国的 DARPA 量子密钥分发网络投入运行，已经过去了 20 年。纸上几步就能讲完的流程，变成能持续运行的设备和网络，需要走很长一段路。

真实设备会遇到多光子脉冲、探测器漏洞、噪声和光纤损耗等问题，对应发展出了诱骗态、MDI-QKD，以及同步、补偿和后处理技术。距离再拉长，还需要可信中继、星地链路等组网手段。这些问题和解决的原理，笔者现在没有一个能搞明白，笔者唯一能确定的是，在量子通信这个领域，或者至少是以 BB84 及其变体为主要实现手段的 QKD 领域，要形成跨地域、广覆盖的量子密钥服务，需要大规模建设相应的网络基础设施。诶？大基建？这不正是老中擅长的吗？

从一条干线，到天地一体

2016 年，“墨子号”量子科学实验卫星发射，把星地量子密钥分发、纠缠分发等实验带到了空间尺度。2017 年，“京沪干线”正式开通，连接北京、济南、合肥、上海，全长 2000 余公里。2021 年，中国科大公布了跨越 4600 公里的天地一体化量子通信网络成果，将地面光纤网络和星地链路结合起来。

地面建设也逐渐从单条线路扩展到多条干线、多地城域网。除了京沪干线，老中还建成了武合干线、沪杭干线、粤港澳干线；某通信行业巨头在 2025 年披露，已在合肥、上海、北京、广州等 16 个重点城市建设量子城域网。

城域网、骨干网、天地一体，主打一个从上到下，从大到小，一个都不落下。

城域网连接本地政企用户和机房，骨干网连接不同地区，卫星补充更大跨度的密钥连接。地面长距离连接采用可信中继：每段各自产钥，再逐站保护和转发密钥材料。虽然单个的 QKD 设备（发射器和接收器）的工作距离有限，通过骨干网、可信中继、量子卫星等设备的介入，不同链路和节点协同，最终形成了庞大的的量子通信网络。一个量子走得快，一群量子走得远：P

量子通信的应用

建成了这么庞大复杂的量子通信网络，最终怎么飞入寻常百姓家呢？笔者找了一些某通信行业巨头公开的资料。

以合肥为例，量子城域网包含 8 个核心站点、159 个接入节点，量子密钥分发网络光纤总长 1147 公里。2026 年 5 月，合肥至芜湖的通量密一体加密 OTN 专线示范应用打通合肥量子城域网、国家量子骨干网和芜湖量子城域网，实现跨城域密钥协商与数据加密传输。所谓的通量密一体，大概可以理解为将经典光通信、量子密钥分发和加密能力集成起来。

所以完整的量子通信网络，底层是设备、是链路，中间是密钥服务，上层是在这些基础上构建的各类应用。在经典网络之上叠加量子安全能力，是现在最普遍的应用场景。

这时候有朋友要问了，折腾了这么半天就为了做密钥分发？图什么呢？看你之前整理的 HTTPS 的内容，感觉也很安全啊！新员工培训期间去参观了某通信行业巨头的量子专业公司展厅，一个 Q-Day 的倒计时令人印象深刻。第二次量子革命带来的另一个应用方向：量子计算，将对传统的非对称密码学带来巨大的冲击，而基于量子通信的 QKD 是对抗这种威胁的最重要的手段之一。

有意思吧，最利的矛和最强的盾，师出同门。这里挖个坑，等笔者把量子计算的基础知识和应用场景也摸摸清楚再回来填。

作为普通的程序员，我们能做什么呢？

设备研发需要处理光源、探测器和协议实现；密钥平台要处理密钥的存储、分配与生命周期；网络管理要盯住链路状态、产钥速率和故障恢复，这些方向都有软件工程工作。

QKD 产生的密钥交到使用方手里，仍然是普通的比特串。应用或加密设备使用经典密码算法处理数据，业务密文经过普通网络传输。普通手机也不会因为安装了应用，就多出一套单光子收发设备；安全能力需要通过终端模块、SDK 和服务接口接入产品。

笔者现在参与开发的，是某通信行业巨头旗下的基于量子安全的协同办公产品。抛开量子安全，作为服务端研发，笔者每天面对的仍然是用户、组织、消息和其他业务流程，需要解决的仍然是领域建模、高并发、稳定性。对做过互联网后端的人来说，这些问题并不陌生，甚至可以说相当熟悉了。

笔者还是做架构设计和写代码，只是需要理解的上下游变了。过去在互联网里积累的研发经验依然有用，这些经验跟新的领域有机结合，就能创造出可使用、可维护、更安全的产品。有机会见证和参与一个未来产业的发展，仔细想想还是挺让人激动的吧！

以上的内容未必全都准确，如有指正，请联系笔者，不吝赐教。

对这个行业和公司有兴趣的朋友，也请联系笔者，期待加入。