量子通信：學術研究引領產(chǎn)業(yè)發(fā)展

矯楓

在全球量子信息技術競賽中，中國起步并非最早，但是起點高，進展快，在應用領域的多個方面已經(jīng)達到世界先進水平。

量子信息技術是當今國際前沿科學，包括量子通信、量子計算、量子精密測量3個子領域。近年來，量子信息已經(jīng)成為大國競逐的科技和產(chǎn)業(yè)制高點之一，美國、歐盟、日本等發(fā)達國家和地區(qū)紛紛制定了本國或本地區(qū)的量子信息技術發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖。

在全球量子信息技術競賽中，中國起步并非最早，但是起點高，進展快，在應用領域的多個方面已經(jīng)達到世界先進水平。從首次成功實現(xiàn)量子態(tài)隱形傳送以及糾纏態(tài)交換，首次實現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，到建成國際上首個規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡，中國科學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方面，基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信技術已經(jīng)從實驗室演示走向產(chǎn)業(yè)化，在城市里，通過光纖建構的城域量子網(wǎng)絡通信已經(jīng)開始實際應用，中國量子通信方面處于國際領先的地位。

2016年，量子通信產(chǎn)業(yè)化元年

科學家們發(fā)現(xiàn)，在微觀世界里，有共同來源的兩個量子之間存在著“糾纏”關系，無論兩者相距多遠，只要其中一個量子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個量子就會立即“感應”，并做出相應變化。量子通信就是利用量子糾纏效應進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：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。正是因為量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，其在國家安全、金融信息等安全領域有著重大的應用價值和前景。

2016年是中國量子信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要節(jié)點，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)，到量子通信設備制造，再到中下游的量子通信傳輸網(wǎng)絡建設和量子通信網(wǎng)絡運營與應用的產(chǎn)業(yè)鏈?？梢哉f，2016年稱得上是中國量子產(chǎn)業(yè)化元年。

2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射成功，中國成為全球第一個在衛(wèi)星和地面之間進行量子通信實驗的國家。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構已經(jīng)投入使用。之后不久，途經(jīng)北京至上海多個城市，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。這些項目的相繼開通，標志著量子技術已經(jīng)從實驗室開始走向市場，也表明中國的量子應用領域正走在世界的前端。

科學源自最初的好奇

其實，從量子概念誕生的那天起就伴隨著爭論，直到今天，學界的爭論還未平息。但這些爭論絲毫也不影響量子世界向人類所展現(xiàn)的無窮科學魅力。近年來，中國科學界的一批科學家堅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、量子計算的理論與實踐探索，取得了世所公認的成果。

中國科學院院士、量子科學實驗衛(wèi)星首席科學家潘建偉在大學時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，當時怎么也想不明白怎么會有量子疊加態(tài)呢？這個問題糾纏著他，甚至無法好好聽別的課。就是從那個時候起，為了搞明白量子疊加態(tài)的問題，潘建偉開始學習量子力學。1999年，潘建偉在導師的領導下，和實驗室的同事們完成了國際首次實現(xiàn)光子的量子隱形傳態(tài)的實驗，并將實驗成果發(fā)表在《自然》雜志上，被認為是量子信息實驗領域的開山之作。那年潘建偉29歲。

2001年，回國后的潘建偉負責組建了量子物理和量子信息實驗室，使國內(nèi)幾乎“零基礎”的量子信息實驗研究得以快速起步，在短短的幾年內(nèi)，便在國際上首次實現(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、科研項目的設立都先要看看國際上有沒有人做過。量子信息是一個全新的學科，我們必須學會和習慣做領跑者和引領者。”

潘建偉的團隊被人叫作“夢之隊”，成員都是中國最頂尖的物理學家。團隊每年都有重大進展。2004年，利用五光子糾纏，團隊首次實現(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，團隊首次實現(xiàn)了兩粒子復合系統(tǒng)的量子隱形傳態(tài)；2015年首次實現(xiàn)了多個自由度的量子隱形傳態(tài)，2016年底更是首次成功實現(xiàn)了十光子糾纏。

與此同時，團隊于2007年在國際上首次實現(xiàn)了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2008年實現(xiàn)了國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡。2010年，世界首個量子政務網(wǎng)在蕪湖試運行，2012年建成首個規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡。2016年發(fā)射首顆量子實驗通信衛(wèi)星，并實現(xiàn)京滬廣域量子保密通信。

構建天地一體化連通

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

蕪湖、濟南、合肥、杭州、武漢等多個城市建設完成了規(guī)模化量子通信城域網(wǎng)，一些政府部門、金融機構率先嘗試到量子加密通信，實現(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。而已經(jīng)開通的“京滬干線”將連接各地城域接入網(wǎng)絡，打造廣域光纖量子通信網(wǎng)絡，建成大尺度量子通信技術驗證、應用研究和應用示范平臺。

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用量子通信技術實現(xiàn)了工行北京分行電子檔案信息在同城間的加密傳輸，還實現(xiàn)了上海數(shù)據(jù)中心處理的業(yè)務，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”量子科學實驗衛(wèi)星，將實現(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行里，將會配合五個地面臺站，在太空與地面之間開展遠距離量子通信的實驗研究。墨子是中國古代著名的哲學家、科學家、軍事家和教育家，他是第一個通過小孔成像實驗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。“我們想用名字提醒大家，中國人也可以做很好的科學。從前有、現(xiàn)在有，將來會有更多。”潘建偉告訴記者。

未來，一個由幾十顆量子衛(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，讓量子通信能夠走進千家萬戶。

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