量子通信可以分为三种类型：量子隐形传态、量子密集编码、量子保密通信，量子保密通信还可细分为量子密钥分发QKD、量子秘密共享QSS、量子安全直接通信QSDC等类型，其中量子密钥分发QKD最为成熟。
本文约1.2万字，包含较多理论简介。以下附上本文目录，读者对不感兴趣的部分可以略过。
目录
量子通信的基本理论
什么是量子
量子通信常用量子理论
量子计算相关理论
量子密码学基本理论
量子通信技术简介
量子信号的产生技术
量子信号的调制技术
量子信号的探测技术
量子中继技术
量子通信网络中的交换技术
量子通信的三种类型
量子隐形传态
量子密集编码
量子保密通信
典型的量子通信系统
有线量子通信系统
无线量子通信系统
量子保密通信网络
星地量子通信
全量子网络展望
第一阶段：量子科学实验协作网
第二阶段：量子计算机网络
量子通信的基本理论
什么是量子
一个物理量（如时间、长度、质量、温度、电流、光强度、物质的量）如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。
所以量子不是粒子，它可以从多个维度来衡量粒子。
量子化现象主要表现在微观物理世界，描写微观物理世界的物理理论是量子力学。区别于以牛顿力学为代表的经典力学。
量子通信常用量子理论
量子通信是指利用量子力学基本原理或基于物质量子特性的通信技术。
量子通信中常提及以下理论：
叠加
量子系统的所有状态可以叠加，也就是说可以像经典物理学中的波那样结合在一起，产生一个与它的组成态不同的相干量子态。然而，状态一旦被测量就会坍塌为一个随机态。
与经典位在任何时候都只能处于单一态不同，由于亚原子粒子的波动性，这个量子位可以处于向上或向下的状态，也可以处于这两种状态的组合态。叠加的量子位表现为同时处于
0〉和
1〉两种状态。
量子纠缠
量子纠缠是指量子粒子（如电子、光子）以特定的方式相互作用后相互分离的奇特行为。
EPR（爱因斯坦、波多尔斯基、罗森）表明，一个量子系统中的两个粒子可能是相互关联的，以致无论这两个粒子间的物理距离有多远，对其中一个粒子的任何测量都可以立即确定对另一个粒子进行相同测量的测量结果。换句话说，如果两个粒子纠缠在一起，无论两个粒子距离多远，其中一个粒子上的任何测量都可以瞬间影响它的伙伴粒子的行为。爱因斯坦称这种奇怪的现象为“*魅般的超距作用”。
例如，如果粒子是自旋相关的，其中一个是自旋向上的，那么另一个一定是自旋向下的。
对一对粒子中的一个粒子的自旋的测量将正确地预测另一个粒子的后续测量结果。其原因在于双粒子系统的初始状态不能被分解成一个简单的两个状态的张量积，其中每个状态只包含一个粒子。这种状态称为纠缠态。
纠缠是量子系统特有的性质，同时也是一种非常重要的通信资源。
退相干
根据叠加原理，量子位可以从它的两个状态的任意叠加中生成一个新的状态。但是叠加态非常脆弱，很难控制。因此，任何与外在环境的交互都可能导致叠加态消除某些相干，从而阻止相关状态相互干扰。这会有效地破坏叠加，系统会随机地坍塌成构成叠加态的状态之一。这个过程被称为退相干。
退相干在量子系统中是一种不良效应。它破坏了量子系统相对于经典系统的许多可能的优势。例如，在量子计算和量子密码学中有潜在应用价值的量子纠缠可能会由于退相干而丢失。
退相干是当前量子信息处理系统发展的主要障碍。普遍认为，只有通过加入某种形式的量子误差校正，才有可能在退相干存在的情况下仍能进行可靠的计算。
光子自旋
理论上任何量子粒子都可以用来代替量子位，不过由于光子可以在不退相干的情况下传输更长的距离，因此它是首选粒子。
光子的自旋有三种形式：水平自旋、垂直自旋和对角自旋。一个非偏振光子同时具有所有三个自旋态。通过偏振滤光片，光子可以被偏振到只允许特定的自旋通过，其他的自旋则会被消除。此外，因为量子力学的线性特性不允许克隆未知的量子态，因此单光子无法被复制。
量子计算相关理论
量子计算机利用亚原子粒子的某些独特特性，结合计算机科学的理论来处理和存储信息。在过去的几十年里，人们对量子力学和计算机科学的融合进行了深入的探究，并由此导致了一类计算技术的发展，比如破译密码（大数分解）、搜索无序集合、概率运算等，这些问题都可以使用量子计算机更有效地解决。
量子计算机信息处理能力的先进性主要归因于：与经典计算机中的数据位（比特）不同，量子计算机中的数据位可以同时以一种以上的状态存在，并且可以同时进行运算。
量子计算机和经典计算机的根本区别在于：量子计算机中的程序本质上是概率性质的，而经典计算机通常是确定性的。
量子位（比特）及其表示
就像在经典计算系统中那样，量子计算系统也需要两个不同的系统状态来表示单个数据位。例如，考虑氢原子中的电子。它可以处于基态，也可以处于激发态。
在经典计算系统中，可以假设激发态为1，基态是0。但在量子领域，电子可以存在于基态和激发态的线性叠加中，这样一个双态量子系统被称为一个量子位。它的实际状态可以是这些基态的任意线性组合（或叠加）。
量子位的状态空间可以用一个称为布洛赫球的虚球来可视化。它具有单位半径，球体上的箭头表示量子位的状态。选择该球的北极和南极分别代表态
1〉和
0〉，其他位置为
1〉和
0〉的叠加。经典位的状态可以是赤道的北极或南极，但量子位可以是球体上的任何一点。
在布洛赫球表示法中，量子位不仅可以位于球面的南极或北极，而且还可以位于这两种状态的混合态。换句话说，量子位可以同时以多种状态存在。这基本上就是叠加原理的本质，叠加原理是由亚原子粒子的波的性质决定的。
一个4位（经典）寄存器可以一次存储从0到15的数字，而一个4量子位寄存器可以将所有16个数字存储在一个叠加中。量子位寄存器中的所有值都可以同时访问和运算，从而允许真正的并行计算。
量子寄存器
量子寄存器由若干量子位组成，寄存器的大小由量子位的数量决定。
量子系统的一个独特优点是寄存器中量子位数量的线性增长会使得寄存器的状态空间呈指数增长。具有m个量子位的量子寄存器的状态可以表示为复向量空间中的2m维向量。由于量子寄存器中的每个状态可以同时处于它的所有状态，这使得其具有很强的并行处理能力，可以在比传统计算机快很多倍的情况下解决某些问题。
量子密码学基本理论
量子密码学是一种特殊形式的密码学，为了确保无条件的安全性，它依赖于量子力学定律。它起源于年哥伦比亚大学的学者史蒂芬·威斯纳的一个新奇的想法：
1.光子偏振不能在不相容的基（直线/对角线）上同时被测量。
2.量子粒子的单个性质的信息，如一个光子的偏振性，是无法得到的。
3.窃听者在不改变消息含义的情况下访问Alice和Bob之间的消息是不可能的。
4.未知的量子态是不可能被复制的。
一旦密钥被成功传输，就可以使用经典的对称密码（如单次密本）对消息进行加密，然后通过电话或电子邮件等传统方式对加密消息进行传输。因此，对称密钥结合量子密钥分发可以保证私钥的安全生成与传输。
不可克隆定理
在经典的计算系统中，人们理所当然地认为数字数据可以被精确无误地复制。不可克隆定理描述了量子系统最基本的特性之一，即不存在能够完全复制任意量子态的酉运算。这里的任意量子态指的是一个指定的希尔伯特空间里的任意状态。显然这限制了用于量子计算机程序设计的可用资源。不过，在量子密码学中不可克隆特性是非常重要的，因为无法复制未知的量子态是影响系统安全性的一个重要因素。
量子密码学
根据量子理论，光是一种电磁波，由许多称为光子的粒子组成，每个光子有特定的能量hf和波长c/f。光有一对相互垂直的电场和磁场，如图所示。如果一束光的电场分量沿一个方向振动，则称这束光沿这个方向偏振。将一束普通的光通过一个特定偏振角度的滤光片可以生成偏振光子。入射到滤光片上的光子要么通过它，要么被阻挡。不管滤光片的初始偏振方向如何，通过滤光片的光子的方向总是与滤光片的方向保持一致。
使用适当的滤光片可以使光子偏振为以下两种基态之一：直线或对角线。只有当光子的偏振与滤光片对齐时，滤光片才允许光子通过滤光片。在直线模式下，只有水平偏振或垂直偏振的光子才能通过偏振滤光片。而在对角线模式下，只有偏振角度为+45°或-45°的光子才能通过偏振滤光片。
海森堡测不准原理表明，某些被称为非对易性的属性对是相互关联的，因此不可能同时对它们进行测量，称这样的属性对为共轭对。直线偏振和对角线偏振就构成了这样一个具有非对易性的共轭对。
因此，具有0°/90°方向的滤光片可以正确地检测出直线偏振光子，同样，具有+45°/-45°方向的滤光片可以检测出对角线偏振光子。但是，如果使用对角线偏振滤光片来检测一个垂直偏振的光子，或者使用直线偏振滤光片来检测一个对角线偏振的光子，结果是随机的且具有相等的概率，光子将丢失它以前状态的所有信息。
量子密钥分发
经典密钥分发理论允许在两个或多个参与方之间共享密钥（如私钥），以便他们能够安全地共享诸如私钥之类的信息，然后就可以使用密钥对通过不安全通道进行通信的消息进行加密。密钥分发是私钥加密的一个主要弱点。为克服这个缺陷，量子密码学提出了一种在两个独立方之间共享随机密钥的安全方法。量子密钥的另一个优点是，发送方和接收方可以很容易地验证密钥是否被篡改。
这里需要强调的是，QKD（量子密钥分发）并不是一种对数据进行加密和解密的技术，它只应用于私钥的安全分发。
BB84密钥分发协议
将量子力学的基本原理用于通信领域是20世纪70年代StephenWiesner首先提出来的，年IBM的班奈特Bennett和Montreal大学的布拉萨德Brassard提出BB84量子保密通信协议以后，量子通信才获得巨大的