想象这样一个场景：你和地球另一端进行重要通信时，不需要担心黑客攻击、服务器泄密，甚至不需要担心未来出现更强大的计算机破解密码——因为这条信息从物理上就无法被窃听。这听起来像科幻，但其实正是量子通信正在努力实现的目标。

然而，这项技术要真正走向全球应用，却一直被一个看似简单的问题卡住：

它传不远。

我们今天的互联网之所以能跨越地球，是因为信号可以不断放大。

而量子通信却完全不同。量子信息有一个非常“任性”的特性：一旦在传输过程中丢失，就再也无法恢复。就像一滴水落入沙漠，无法重新收集。结果就是，即使在最先进的光纤中，量子信号通常也只能稳定传播几百公里。如果要实现全球通信，这显然远远不够。

一个看似科幻的想法

为了解决这个难题，中国科学技术大学周宗权教授团队在国际期刊Physical Review A （ Liu P X , Lin Y P , Zhou Z Q ,et al.Global-scale quantum networking using hybrid-channel quantum repeaters with relays based on a chain of balloons[J].  2025.）发表的一项研究提出了一种非常特别的解决方案：

 用高空气球链搭建全球量子通信网络。

他们设想，在距离地面约20多公里的平流层布置一列高空气球，形成一条横跨地球的光通信中继链路，实现单个光子跨越全球的高效率传输，最终建立跨越全球的量子纠缠。 量子纠缠正是全球量子网络中的基本资源。当两个粒子形成纠缠，它们就像一对“量子双胞胎”：无论相隔多远，对其中一个的测量都会瞬间决定另一个的状态。这种奇特的关联，也正是量子通信安全性和量子计算机加速能力的根本来源。

气球链量子通信

听起来像科幻小说，但背后的物理逻辑却非常简单。为什么不是卫星，而是气球？很多人会直觉地想到卫星—马斯克的SpaceX公司 正在商业化运营星链提供微波通信服务。但事实上，高空气球在量子通信中反而更有优势。

原因就在于光信号传播环境。

在地面附近，大气湍流会让光束不断晃动；而在平流层，空气稀薄而稳定，光的横向传播损耗极小与卫星链相当。同时，气球离地面远比卫星近得多，信号上下传输距离更短使得垂直方向传输损耗更低。研究模拟表明，在万公里尺度的通信距离上，气球链路效率甚至可以超过卫星一个数量级。 

这些气球并不是通信终端，而更像漂浮在天空中的“光学镜子”，为量子信息提供一条低损耗的通道。

问题在于，直接在远距离建立纠缠几乎不可能。因为光子在传播过程中会大量丢失。科学家想到的解决办法是，把纠缠建立过程变成一场接力赛。先在短距离建立纠缠，然后通过一种叫“纠缠交换”的操作，把一段段短纠缠逐步连接起来，最终让远端两点之间形成纠缠。

就像把许多短链条一节节扣接，最后拼成一条跨越地球的长链。

现实中的挑战远比想象中严峻。

纠缠光子的产生本身就是随机事件；光子在传播中会大量损失；探测器效率有限；测量成功率也存在物理上限。这些因素叠加后，使得一次成功建立远程纠缠的概率极低。

当短距离链条的纠缠成功建立后，其量子态可以被暂时保存，以等待其他链条的纠缠也成功建立，从而实现纠缠交换的连接，逐步实现纠缠距离的扩展。目前最先进的量子存储技术已经能够保持数秒甚至几十秒，这足以完成全球尺度的纠缠连接操作。 

最现实的应用，是量子密钥分发。

通信双方利用纠缠测量的关联性，可以生成一串随机密钥，用于加密普通数据。与传统加密不同，这种安全性并不依赖计算能力，而是由量子物理定律保证——任何窃听行为都会不可避免地破坏纠缠，从而被立刻发现。

此外，量子纠缠还可以让遥远的量子计算机之间合作起来，实现分布式量子计算，从而拓展量子计算机的计算能力。

可以说，远距离纠缠就像量子互联网的“电力供应”，一旦建立，就能支撑各种未来量子互联网的应用。

这项研究最令人振奋的一点在于，它所依赖的关键技术——纠缠光源、固态量子存储以及光学中继——都已经在实验中得到验证。

这意味着，全球量子通信网络不再只是一个遥远的梦想，而正在一步步走向工程实现。