量子通信的主要工作原理是什么？

量子通信同传统的通信方式相比较，有一些比较突出的特点，例如安全性比较高，还有就是传输的过程中不容易受到阻碍。

量子通信的核心原理是利用量子力学特性实现无条件安全的信息传输，其核心应用是量子密钥分发（QKD）。工作原理主要基于以下几个关键量子特性：

量子叠加态 (Superposition)：
- 量子系统（如单个光子）可以同时处于多种状态的叠加。例如，一个光子可以同时代表二进制位0和1（比如用光子的不同偏振方向或相位来表示）。传输信息时，发送方（通常称为Alice）随机选取一种基矢（例如垂直/水平偏振基或 +/-45度偏振基）来制备光子的量子态。
量子态不可克隆定理 (No-Cloning Theorem)：
- 量子力学原理决定了不可能完美地复制一个未知的量子态。任何试图复制传输中量子态（如光子）的行为都会不可避免地改变其状态。
量子测量导致坍缩 (Measurement Collapse)：
- 当接收方（通常称为Bob）对传输来的光子的量子态进行测量时，他必须随机选择一种基矢进行测量。
- 如果Bob选择的基矢与Alice制备量子态时使用的基矢一致，那么他就能正确无误地得到Alice编码的信息（例如是0还是1）。
- 如果Bob选择的基矢不一致，那么测量行为会随机地使量子态坍缩到该基矢对应的某个本征态上，导致测量结果随机且不一定与Alice发送的一致（即有50%的错误率）。
- 最关键的安全特性： 任何窃听者（称为Eve）想要窃听通信，也必须像Bob一样拦截并测量传输的光子。根据量子测量坍缩原理：
  - Eve的测量行为必然会改变原量子态。
  - 当她将（已被她测量改变的）量子态重新发送给Bob时，会导致原本在Alice和Bob使用相同基矢时本应一致的结果出现不一致。
  - 因此，Eve的窃听行为无法避免地会在最终的通信数据中引入额外的错误。

量子密钥分发（QKD）的工作流程简述：

量子信道传输： Alice通过量子信道（如光纤或自由空间）发送一系列处于随机量子态（使用随机选择的基矢编码）的单光子（或近似单光子）给Bob。
接收与测量： Bob用自己随机选择的基矢接收并测量这些光子。
基矢比对： Alice和Bob通过一个公开的经典信道（如互联网、电话，该信道可以被窃听但不能篡改）进行通信，相互告知对方使用了哪些基矢（但不告知发送或测量到的具体值）。他们只保留那些使用了相同基矢的测量结果。
窃听检测： Alice和Bob从保留的结果中随机公开一部分比特进行比对。如果错误率低于某个安全阈值，说明没有发生显著窃听（因为Eve的窃听会引入额外错误）。如果错误率异常高，则表明有窃听，本次通信密钥被弃用。
隐私放大： 在确认安全后，Alice和Bob对剩余的未公开比特进行隐私放大（通过特定的算法，牺牲一部分密钥长度）。这一步能确保，即使Eve截获了少量信息，也无法重构出最终的密钥。
生成共享密钥： 经过以上步骤后，Alice和Bob就得到了一个完全相同的、真正随机的二进制串作为共享密钥。这个密钥是双方已知而第三方未知的。
加密通信： Alice和Bob随后使用这个绝对安全的共享密钥，通过一次一密或其他对称加密算法在公开信道上加密传输他们的实际机密信息。即使加密后的密文被截获，没有密钥也无法解密。

总结核心要点：

量子通信（QKD）的核心是利用量子态（如光子）在信道中安全传递密钥。
量子力学特性（叠加、不可克隆、测量坍缩）保证了：任何试图获取量子态信息的窃听行为必然扰动系统并被合法通信方检测到。这是其无条件安全性（也叫“信息论安全性”）的根本来源。
实际机密信息本身是通过安全的共享密钥在经典信道上加密传输的。
量子通信的目标是解决密钥分发的安全性问题，而非直接传输海量信息。

因此，量子通信并非取代现有的通信方式，而是通过提供绝对安全的密钥分发手段，来大幅提升经典通信的安全性。