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量子通信是一种利用量子力学原理进行信息传输和处理的通信方式。它主要利用量子叠加态、量子纠缠等量子特性来编码、传输和处理信息。与传统通信不同，量子通信的核心优势在于其基于物理定律的安全性，特别是在密钥分发方面。
量子比特是量子信息的基本单位，与经典比特不同，它可以处于0态、1态，或者两者的叠加态。量子叠加态是量子力学的核心特性之一，表示量子系统可以同时存在于多个状态。数学上，我们用态矢量表示，一个量子比特的状态可以写为α乘以0态加β乘以1态，其中α和β是复数，且满足α的平方加β的平方等于1。这种叠加态可以用布洛赫球来直观表示。
量子纠缠是量子力学中最神奇的现象之一，它描述了两个或多个量子系统之间的一种非局域关联。当两个粒子处于纠缠态时，无论它们相距多远，对一个粒子的测量会瞬时影响另一个粒子的状态。这种现象被爱因斯坦称为"鬼魅般的超距作用"。在量子通信中，量子纠缠被广泛应用于量子密钥分发、量子隐形传态和量子中继器等技术中，为实现安全的远距离量子通信提供了基础。
量子密钥分发是量子通信最重要的应用之一，它利用量子力学原理安全地在两方之间分发密钥。其安全性基于三个关键原理：量子不可克隆定理，即无法完美复制未知的量子态；量子测量会不可避免地改变量子态；以及任何窃听行为都会留下可检测的痕迹。BB84是最早的量子密钥分发协议，由Bennett和Brassard于1984年提出。而E91协议则利用量子纠缠来实现密钥分发。这些协议使得通信双方能够检测到任何窃听尝试，从而保证密钥的安全性。
量子通信技术已经取得了显著进展。从1984年Bennett和Brassard提出BB84协议，到1991年Ekert提出基于纠缠的E91协议，再到2003年建立的首个量子网络，以及2017年发射的墨子号量子科学实验卫星，量子通信技术不断突破。目前，量子通信面临的主要挑战包括量子态的脆弱性、传输距离的限制以及量子存储技术。未来，随着这些技术难题的解决，全球量子互联网有望建成，为人类提供安全高效的量子信息传输网络，彻底改变我们的通信方式。