中國量子通信登上世界之巔

張文卓

備受關(guān)注的量子通信

2018年，有著諾貝爾物理學獎風向標之稱的沃爾夫物理學獎頒給了在量子通信領(lǐng)域作出開創(chuàng)性理論貢獻的兩位科學家本內(nèi)特和布拉薩德，這代表了國際上對量子通信重要意義的肯定。

在介紹沃爾夫物理學獎獲得者的網(wǎng)頁上，專門提到了量子密鑰分發(fā)已經(jīng)成功實現(xiàn)商業(yè)化，在光纖中的通訊距離已經(jīng)達到幾百千米，用衛(wèi)星可以做到上千千米。需要強調(diào)的是，這2個紀錄都是由我國科學家創(chuàng)造的。這代表了中國科學家的杰出貢獻，也標志著中國量子通信達到世界領(lǐng)先水平。

量子通信是量子信息學的一個重要分支，它利用量子力學原理對量子態(tài)進行操控，在2個地點之間進行信息交互，完成經(jīng)典通信所不能完成的任務。量子通信有2個基本的研究方向：一是量子密鑰分發(fā)（即量子密碼）;二是量子隱形傳態(tài)。值得一提的是，本內(nèi)特和布拉薩德不僅是已經(jīng)實用化的量子密鑰分發(fā)方案（即BB84協(xié)議）的提出者，同時也是量子隱形傳態(tài)理論最早的創(chuàng)立者。

量子密鑰分發(fā)（QKD）可以讓遠距離的用戶共享無法破解的密鑰，因此量子密鑰分發(fā)始終是量子通信的一個重要方向，這一觀點早已在國際上達成了共識。美國物理學會使用的學科分類系統(tǒng)PhySH將量子密鑰分發(fā)（量子密碼）作為量子通信條目下面的一個子條目。歐盟最新發(fā)布的《量子宣言》將以量子密鑰分發(fā)為核心的量子保密通信作為量子通信領(lǐng)域未來的主要發(fā)展方向。

“京滬干線”與它的異國“兄弟們”

由于信號的損耗，量子密鑰分發(fā)在地面上通過光纖直接傳輸有一個距離的上限，約100多千米。為了通過光纖實現(xiàn)距離更遠的量子密鑰分發(fā)，就需要增加中繼節(jié)點。在中繼節(jié)點“可信”時，也就是說中繼節(jié)點的量子密鑰保證安全保密時，通過“一次一密”的加密傳輸方法，就可以保證用戶密鑰傳輸?shù)陌踩＿@樣的技術(shù)被稱為“可信中繼技術(shù)”。

量子通信要實現(xiàn)商用，可以采用中繼節(jié)點的密鑰“落地即密”技術(shù)、密鑰分拆中繼技術(shù)、中繼密鑰迭代變換技術(shù)等，這不僅可以保障無人值守下的中繼節(jié)點足夠可信，而且還可消除中繼節(jié)點密鑰泄露造成的密鑰泄露風險?？偟膩碚f，對于各級別的應用，可信中繼的安全保障都可以做到有效且可靠。目前，國內(nèi)和國際上的標準化專業(yè)組織都結(jié)合已有的工程實踐啟動了可信中繼標準（包括安全性標準）的研究和制定工作，這將為應用可信中繼技術(shù)的安全保障奠定基礎(chǔ)。

2017年，我國正式建成了世界上最長的量子保密通信主干網(wǎng)“京滬干線”，干線經(jīng)過濟南和合肥2個城域網(wǎng)，將北京和上海連接起來，總長約2000千米?！熬删€”采用的就是可信中繼技術(shù)。目前，“京滬干線”已經(jīng)正式投入運營，用戶數(shù)量在不斷增加，應用領(lǐng)域也在不斷擴大，主要用戶包括多家國有銀行，以及中國電信、國家電網(wǎng)等央企。

隨著“京滬干線”的建成，世界主要發(fā)達國家都已經(jīng)或正在加緊實施遠距離量子通信干線工程，一些干線網(wǎng)絡也已經(jīng)初步建成。

美國成立了專門從事量子通信網(wǎng)絡建設的Quantum Xchange公司，為政府機構(gòu)和企業(yè)提供量子安全加密解決方案。目前，該公司已建設沿美國東海岸連接華盛頓和波士頓的總長約800千米的美國首個州際、商用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡，將華爾街的金融市場和新澤西州的后臺業(yè)務連接起來，幫助銀行實現(xiàn)高價值交易和關(guān)鍵任務數(shù)據(jù)的安全，并計劃將服務范圍拓展至健康醫(yī)療和關(guān)鍵基礎(chǔ)設施領(lǐng)域。

“墨子號”實現(xiàn)千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)（成果以世界頂級學術(shù)期刊美國《科學》雜志當期的封面論文“量子飛躍”發(fā)表）。

英國正在建設國家量子通信測試網(wǎng)絡，目前已經(jīng)建成連接布里斯托、劍橋、南安普頓和倫敦大學學院（UCL）的干線網(wǎng)絡。2018年6月，該干線網(wǎng)絡已延伸至英國國家物理實驗室（NPL）和英國電信公司（BT）Adastral Park研發(fā)中心。

韓國計劃到2020年，分3個階段建設國家量子保密通信測試網(wǎng)絡。它由韓國科學、信息通訊和未來規(guī)劃部資助，韓國最大的移動通信運營商SK電信牽頭，聯(lián)合企業(yè)、學校、研究機構(gòu)等多家單位共同完成，網(wǎng)絡總長約256千米。

2016年8月，俄羅斯已經(jīng)在其韃靼斯坦共和國境內(nèi)正式啟動了首條多節(jié)點量子互聯(lián)網(wǎng)絡試點項目。該量子網(wǎng)絡目前連接了4個節(jié)點，每個節(jié)點之間的距離為30～40千米。俄羅斯量子中心計劃借鑒“京滬干線”的經(jīng)驗，在俄羅斯建設量子保密通信網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施，前期將建設莫斯科到圣彼得堡的線路。

本內(nèi)特（左）和布拉薩德（右）

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)先世界

我國量子通信的光纖城域網(wǎng)已經(jīng)逐漸趨于成熟，并且創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)安全距離達到404千米的世界紀錄。為了將量子通信在更遠的距離上應用，有3種方式可以選擇：一是利用量子中繼;二是利用可信中繼;三是利用自由空間信道，即量子通信衛(wèi)星。

我國科學家已經(jīng)在量子中繼的核心——量子存儲器上取得了世界上綜合性能最好的結(jié)果，但是量子中繼離實用化還有一段距離，它的難度堪比量子計算機?？尚胖欣^技術(shù)比較具有實用價值，比如我國已經(jīng)建成的量子保密通信“京滬干線”。而利用量子衛(wèi)星建立的量子通信網(wǎng)絡，可以在全球范圍內(nèi)覆蓋各類海島、遠洋船舶、駐外機構(gòu)等光纖難以或者無法到達的地方，保障全球范圍內(nèi)的信息傳輸安全。

美國首個州際、商用量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡

英國國家量子通信測試網(wǎng)示意圖

韓國量子保密通信網(wǎng)絡建設規(guī)劃

2016年8月，我國發(fā)射的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，在2017年星地量子密鑰分發(fā)的成碼率已達到10kbps量級，成功驗證了星地量子密鑰分發(fā)的可行性。目前，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，密鑰分發(fā)成碼率已能夠達到100kbps量級，具備了初步的實用價值。因此，國內(nèi)很多部門都希望能夠?qū)⑿堑孛荑€分發(fā)應用于其現(xiàn)有的加密體系中，進一步提升信息傳輸?shù)陌踩?。同時，我國科學家也在針對“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星存在的問題，深入地進行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，有望在未來突破地影區(qū)的限制，實現(xiàn)全天候量子密鑰分發(fā)，進一步提升量子密鑰分發(fā)的速率、降低設備成本、提高設備可靠性，為未來量子密鑰分發(fā)大規(guī)模應用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

此外，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星還有一個非常重要的基礎(chǔ)科學目標，那就是開展量子物理基本問題檢驗：通過千千米量級的量子糾纏分發(fā)，能夠首次在空間尺度檢驗量子力學的非定域性，并利用量子糾纏在地面和衛(wèi)星之間實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。2017年，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星已經(jīng)圓滿完成了這2個目標。這2項科學成果使人類首次具有在空間尺度開展量子科學實驗的能力，為未來在外太空開展廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的檢驗做好了必要的技術(shù)準備，為我國在基礎(chǔ)物理學領(lǐng)域?qū)κ澜绲囊豁椫匾暙I。

隨著我國“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星相關(guān)工作的成功開展，一些發(fā)達國家也相繼開始實施空間量子通信計劃。2017年11月，歐洲空間局（ESA）向歐盟委員會提交了《空間量子技術(shù)》戰(zhàn)略報告，指出歐洲應在5年內(nèi)發(fā)射商用低軌量子通信衛(wèi)星，研發(fā)高軌衛(wèi)星、低成本立方衛(wèi)星和地面站。2018年5月，歐洲空間局與全球領(lǐng)先的衛(wèi)星通信公司SES簽署了開發(fā)量子加密通信系統(tǒng)的協(xié)議，成立了衛(wèi)星網(wǎng)絡安全聯(lián)盟，成員包括瑞士IDQ公司、奧地利AIT公司、德國航空航天中心（DLR）等機構(gòu)和設備制造商Tesat-Spacecom公司等。2016年，意大利啟動了Q-SecGroundSpace項目。2017年，德國提出了測量3.6萬千米高空衛(wèi)星發(fā)射量子態(tài)的方案。同年，日本也驗證了用于星地量子密鑰分發(fā)的高性能激光設備的可行性。英國和新加坡正在聯(lián)合建立基于立方衛(wèi)星的量子加密衛(wèi)星鏈路，并計劃于2021年底投入運行。美國宇航局發(fā)布了空間量子實驗白皮書。美國噴氣推進實驗室及加拿大航天局都在規(guī)劃研制新一代的量子通信衛(wèi)星?？傮w來看，目前我國在衛(wèi)星量子通信方面領(lǐng)先這些發(fā)達國家5年左右的時間。

歐洲空間局全球衛(wèi)星量子通信鏈路示意圖

意大利Q-SecGroundSpace項目示意圖

綜上所述，經(jīng)過潘建偉團隊多年的努力拼搏，量子通信已經(jīng)成為我國引領(lǐng)世界的高科技領(lǐng)域。中國也最有希望成為世界上第一個量子通信全面應用的國家。