量子通信：學(xué)術(shù)研究引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

文｜本刊記者 矯 楓

量子通信：學(xué)術(shù)研究引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

文｜本刊記者 矯 楓

在全球量子信息技術(shù)競賽中，中國起步并非最早，但是起點(diǎn)高，進(jìn)展快，在應(yīng)用領(lǐng)域的多個(gè)方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

在中國科學(xué)院上海微小衛(wèi)星工程中心，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星副總設(shè)計(jì)師周依林（左三）與工作人員在量子衛(wèi)星旁忙碌

量子信息技術(shù)是當(dāng)今國際前沿科學(xué)，包括量子通信、量子計(jì)算、量子精密測量3個(gè)子領(lǐng)域。近年來，量子信息已經(jīng)成為大國競逐的科技和產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)之一，美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)紛紛制定了本國或本地區(qū)的量子信息技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖。

在全球量子信息技術(shù)競賽中，中國起步并非最早，但是起點(diǎn)高，進(jìn)展快，在應(yīng)用領(lǐng)域的多個(gè)方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。從首次成功實(shí)現(xiàn)量子態(tài)隱形傳送以及糾纏態(tài)交換，首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，到建成國際上首個(gè)規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，中國科學(xué)家逐步躋身于國際一流的量子信息研究行列。特別是在城域量子通信技術(shù)方面，基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室演示走向產(chǎn)業(yè)化，在城市里，通過光纖建構(gòu)的城域量子網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)開始實(shí)際應(yīng)用，中國量子通信方面處于國際領(lǐng)先的地位。

2016年，量子通信產(chǎn)業(yè)化元年

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在微觀世界里，有共同來源的兩個(gè)量子之間存在著“糾纏”關(guān)系，無論兩者相距多遠(yuǎn)，只要其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)量子就會立即“感應(yīng)”，并做出相應(yīng)變化。量子通信就是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。

量子通信具有高效率和絕對安全的特點(diǎn)：一旦信息在傳輸過程中被劫持，發(fā)送方和接收方就會立刻知道，而信息劫持者也不能得到信息全貌，從而確保了信息的絕對安全。正是因?yàn)榱孔油ㄐ啪哂袀鹘y(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，其在國家安全、金融信息等安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景。

2016年是中國量子信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn)，中國在量子通信產(chǎn)業(yè)化方面不斷突破，已經(jīng)初步形成從量子通信核心器件生產(chǎn)，到量子通信設(shè)備制造，再到中下游的量子通信傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和量子通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營與應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈。可以說，2016年稱得上是中國量子產(chǎn)業(yè)化元年。

2016年8月16日，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射成功，中國成為全球第一個(gè)在衛(wèi)星和地面之間進(jìn)行量子通信實(shí)驗(yàn)的國家。10月18日，全長260公里的全球第一條量子通信商用干線“滬杭干線”（浙江段）宣布開通，一些政府部門和地方銀行機(jī)構(gòu)已經(jīng)投入使用。之后不久，途經(jīng)北京至上海多個(gè)城市，主要承載重要信息保密傳輸?shù)牡牧孔油ㄐ疟Ｃ芨删€“京滬干線”也全線貫通，已有國有商業(yè)銀行開始使用京滬干線傳遞備份。這些項(xiàng)目的相繼開通，標(biāo)志著量子技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室開始走向市場，也表明中國的量子應(yīng)用領(lǐng)域正走在世界的前端。

科學(xué)源自最初的好奇

其實(shí)，從量子概念誕生的那天起就伴隨著爭論，直到今天，學(xué)界的爭論還未平息。但這些爭論絲毫也不影響量子世界向人類所展現(xiàn)的無窮科學(xué)魅力。近年來，中國科學(xué)界的一批科學(xué)家堅(jiān)信量子世界的奇異性，長期致力于量子糾纏、量子通信、量子加密、量子計(jì)算的理論與實(shí)踐探索，取得了世所公認(rèn)的成果。

中國科學(xué)院院士、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉在大學(xué)時(shí)期就開始對量子疊加態(tài)問題產(chǎn)生了濃厚的興趣。他告訴媒體，當(dāng)時(shí)怎么也想不明白怎么會有量子疊加態(tài)呢？這個(gè)問題糾纏著他，甚至無法好好聽別的課。就是從那個(gè)時(shí)候起，為了搞明白量子疊加態(tài)的問題，潘建偉開始學(xué)習(xí)量子力學(xué)。1999年，潘建偉在導(dǎo)師的領(lǐng)導(dǎo)下，和實(shí)驗(yàn)室的同事們完成了國際首次實(shí)現(xiàn)光子的量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)成果發(fā)表在《自然》雜志上，被認(rèn)為是量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作。那年潘建偉29歲。

2001年，回國后的潘建偉負(fù)責(zé)組建了量子物理和量子信息實(shí)驗(yàn)室，使國內(nèi)幾乎“零基礎(chǔ)”的量子信息實(shí)驗(yàn)研究得以快速起步，在短短的幾年內(nèi)，便在國際上首次實(shí)現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子隱形傳態(tài)。他說：“過去，我們在科研領(lǐng)域常常扮演追隨者和模仿者的角色，研究方向的選定、科研項(xiàng)目的設(shè)立都先要看看國際上有沒有人做過。量子信息是一個(gè)全新的學(xué)科，我們必須學(xué)會和習(xí)慣做領(lǐng)跑者和引領(lǐng)者。”

潘建偉的團(tuán)隊(duì)被人叫作“夢之隊(duì)”，成員都是中國最頂尖的物理學(xué)家。團(tuán)隊(duì)每年都有重大進(jìn)展。2004年，利用五光子糾纏，團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了終端開放的、多接收用戶的量子隱形傳態(tài)；2006年，利用六光子糾纏，團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了兩粒子復(fù)合系統(tǒng)的量子隱形傳態(tài)；2015年首次實(shí)現(xiàn)了多個(gè)自由度的量子隱形傳態(tài)，2016年底更是首次成功實(shí)現(xiàn)了十光子糾纏。

與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)于2007年在國際上首次實(shí)現(xiàn)了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2008年實(shí)現(xiàn)了國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)。2010年，世界首個(gè)量子政務(wù)網(wǎng)在蕪湖試運(yùn)行，2012年建成首個(gè)規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。2016年發(fā)射首顆量子實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星，并實(shí)現(xiàn)京滬廣域量子保密通信。

構(gòu)建天地一體化連通

量子通信的產(chǎn)業(yè)化也在中國科學(xué)家的全力推動下得到快速發(fā)展。

蕪湖、濟(jì)南、合肥、杭州、武漢等多個(gè)城市建設(shè)完成了規(guī)?；孔油ㄐ懦怯蚓W(wǎng)，一些政府部門、金融機(jī)構(gòu)率先嘗試到量子加密通信，實(shí)現(xiàn)語音電話、傳真文本通信和文件傳輸?shù)攘孔颖Ｃ軅鬏敇I(yè)務(wù)。而已經(jīng)開通的“京滬干線”將連接各地城域接入網(wǎng)絡(luò)，打造廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，建成大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺。

一些大型商業(yè)銀行和電信企業(yè)，不僅參與到量子通信產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，而且還享受到量子通信帶來的安全性。如中國工商銀行不僅成功應(yīng)用量子通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工行北京分行電子檔案信息在同城間的加密傳輸，還實(shí)現(xiàn)了上海數(shù)據(jù)中心處理的業(yè)務(wù)，通過量子通信通道傳輸?shù)奖本?shù)據(jù)中心做異地備份。

量子通信和量子科技的巨大潛能還吸引了眾多資本，成為2016年最吸金的行業(yè)之一?！熬删€”的承建商，浙江九州量子信息技術(shù)股份有限公司已于2016年6月正式掛牌新三板，成為中國資本市場的“量子通信第一股”。

已經(jīng)正式交付使用的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，將實(shí)現(xiàn)高速星地量子密鑰分發(fā)、星地量子糾纏分發(fā)和千公里級的空地量子隱形傳輸，在未來兩年的在軌運(yùn)行里，將會配合五個(gè)地面臺站，在太空與地面之間開展遠(yuǎn)距離量子通信的實(shí)驗(yàn)研究。墨子是中國古代著名的哲學(xué)家、科學(xué)家、軍事家和教育家，他是第一個(gè)通過小孔成像實(shí)驗(yàn)證明光是沿著直線傳播的，并且提出粒子概念和牛頓慣性定律的雛形?！拔覀兿胗妹痔嵝汛蠹?，中國人也可以做很好的科學(xué)。從前有、現(xiàn)在有，將來會有更多?！迸私▊ジ嬖V記者。

未來，一個(gè)由幾十顆量子衛(wèi)星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信干線“攜手”，支撐起“天地一體”的量子通信網(wǎng)，最終建立覆蓋全國甚至全球的廣域量子保密通訊網(wǎng)絡(luò)，讓量子通信能夠走進(jìn)千家萬戶。

“屆時(shí)，每個(gè)人的家里、手機(jī)上或許都會有一個(gè)量子加密芯片，銀行轉(zhuǎn)款、電子賬戶等涉密操作，都不用擔(dān)心被盜用或者被攻擊?！迸私▊Υ藵M懷信心。