量子通信：領跑世界

牛祿青

中國在量子通信領域研發起步早，技術積淀較深，目前已走在世界前列

近年來，網絡信息安全問題日益加劇了人們的憂慮和關注，傳統保密通信技術自身的安全性正面臨挑戰。量子通信作為能夠提供無條件安全性保證的高效信息安全解決方案受到世界各國政府、學術界和產業界的廣泛關注。中國在量子通信領域研發起步早，技術積淀較深，目前已走在世界前列。

5月9日，中國科學院院士、中科大常務副校長潘建偉出席“新未來人工智能論壇”時表示，量子通信衛星將按照原定計劃在7月份發射。如果此次衛星成功發射，中國將在全球首次實現衛星和地面之間的量子通信，結合地面已有的光纖量子通信網絡，將初步構建廣域量子通信體系。

美國媒體認為，中國的量子科學實驗衛星（QUESS） 并不僅僅是一個科學實驗項目，實際上中國已經成為了全球量子通信技術的領先者，量子科學實驗衛星將成為把尖端科技轉化為中國在全球范圍內戰略資產的基石。

據潘建偉介紹，2000公里量子保密通信“京滬干線”也將在今年年底建成。3月17日，我國“十三五”規劃綱要正式發布，“量子通信與量子計算機”被列入國家科技創新2030重大科技項目，未來5年，我國將著力構建量子通信網絡。

量子通信是什么

作為與相對論并列的現代物理學基石，量子論是20世紀最偉大的理論之一，但其神奇之處也讓很多人“難以理解”。“量子世界像骰子一樣難以預測，迄今還沒有誰敢說了解它，任何科學探險都不如量子之旅驚險和神奇。”中科院自然科學史研究所研究員董光璧說。

量子有很多奇妙的特性，比如在量子通信中起著重要作用的“量子糾纏”，曾被愛因斯坦等科學家稱作“幽靈般的超距離作用”。美國科學家、諾貝爾物理學獎獲得者弗蘭克·維爾切克曾用《格林童話》中《兩兄弟》故事打比方：“量子糾纏”就像一對有“心靈感應”的雙胞胎，長得分不清彼此；他們也心靈相通，即便天各一方，弟弟有難，哥哥即刻得知。

目前，量子密鑰分發和量子隱形傳態都被稱為量子通信。量子密鑰分發可以建立安全的通信密碼，通過一次一密的加密方式實現點對點方式的安全經典通信。

具體做法是用弱相干光源發射光子，因為弱相干光源弱到一定程度，光子是一個一個往外蹦的，以此代替單光子源。把一個信息編碼在一個光子上，一個光子有著不同的量子態，代表著0和1，把光子通過光纖發射過去，接收方接到密鑰后進行解碼。

本質上說，量子密鑰分發其實依舊依托于光纖通信，而單光子具有不可分割性是量子密碼安全性的物理基礎，因而量子密鑰分配并非顛覆經典通信，更像是給經典通信增加了一把量子密碼鎖。

現有的量子密鑰分發技術可以實現實驗室狀態下200公里以上的量子通信，再輔以光開關等技術，還可以實現量子密鑰分發網絡。目前，開始產業化的是量子密鑰分配，而不是量子隱形傳態，比如北京到上海的量子通信干線、滬杭量子通信干線、陸家嘴量子通信金融網等都屬于量子密鑰分配。

量子態隱形傳輸是基于量子糾纏態的分發與量子聯合測量（量子糾纏是指兩個量子態具有相干性或處于關聯狀態，量子糾纏態分發是指制備糾纏粒子對，將不同的粒子對發往不同的地方），在經典通信的輔助下實現量子態的空間轉移而又不移動量子態的物理載體。

據潘建偉介紹，量子隱形傳態技術具備不可分割、不可克隆的特性，可以抵御竊聽密鑰的分發，確保通過其加密的內容不可破譯。2015年，中科大潘建偉團隊在世界上首次實現多個自由度的量子隱形傳態，成果被評為國際物理學十大突破之首。“如果我們帶著一個保險箱去北京開會，而保險箱的鑰匙落在合肥，合肥的同事可以通過量子隱形傳態將鑰匙每一個特征都精確傳送到北京，而在此過程中他并不掌握這把鑰匙的任何信息。這在經典世界中是不可想象的。”潘建偉說。由于在該領域的杰出貢獻，2016年1月，潘建偉團隊的“多光子糾纏及干涉度量”獲國家自然科學獎一等獎。

早在1997年，潘建偉團隊就在世界上首次實現量子態的傳輸，也正是他們的探索，促使量子科技更快地應用于通信領域。在新中國成立60周年閱兵、紀念抗戰勝利70周年閱兵等關鍵節點，潘建偉團隊構建的量子通信熱線均為信息傳送提供了重要安全保障。

目前，國內主攻量子通信技術的有潘建偉院士帶領的團隊和郭光燦院士帶領的團隊，兩個團隊在研究量子通信方面呈現你追我趕的架勢。中國雖然在量子隱形傳態技術上走在世界的前列，但現在僅僅是技術突破，離產業化還比較遙遠。而量子密鑰分發經過近30年的發展，從理論協議到器件系統初步成熟，目前已有小規模的試點應用和初步產業化趨勢。以量子密鑰分發為基礎的量子保密通信成為未來保障網絡信息安全的一種非常有潛力的技術手段，是量子通信領域理論和應用研究的熱點。

應用前景有多廣

作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術，未來10年內，量子保密通信有望走向大規模應用，在電子政務、電子商務、電子醫療、國防軍事、生物特征傳輸和智能傳輸系統等各領域大顯身手。

專家預言，隨著光量子通信技術的不斷發展和完善，該技術將被大量應用于武器裝備系統之中，使得戰場偵察探測、指揮控制、通信網絡、武器控制能力得到全面提升。目前，光量子通信研究已成為各軍事大國重點發展的戰略性高科技，在軍事上有著燦爛前景。

除了國防軍事領域，商業應用也用不了多久。潘建偉說，在不久的將來，量子通信就能進入千家萬戶。希望通過十年左右的努力，將來每個人在互聯網上進行的轉款、支付等消費行為，都能夠享受到量子通信的安全保障。

當然，這還需要其在產業化和廣域量子通信網絡方面實現進一步突破。郭光燦認為，量子通信極強的保密性是基于量子密鑰技術而實現的，密鑰也是基于量子的特殊性而研發的，而其他通信方面的技術與傳統經典通信差異不大。從目前的實際應用來看，將量子通信網絡與現有電子通信網絡進行融合是最優的發展戰略。

而在構建廣域乃至全球范圍的量子通信網絡體系方面，從各國戰略計劃看，無論是美國政、企、校聯合展開研制的量子互聯網，還是歐盟聯合12成員國發展的基于量子中繼和衛星的自由空間量子通信鏈路，亦或是日本計劃到2040年建成極限容量、無條件安全的量子通信網絡，各國誓要搶占量子通信未來制高點的意圖已經明朗。

按照計劃，2016 年，我國將先于歐美發射全球首顆量子科學實驗衛星，2020 年實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發，2030 年建成全球化量子通信網絡。

據量子衛星工程常務副總工程師兼衛星總指揮、中科院上海技術物理所王建宇研究員介紹，量子衛星將裝載我國自主研發的星地量子通信設備。它能產生并發送光子，地面系統則負責接收。這種“發球、接球”需要解決超高精度的瞄準、捕獲和跟蹤難題，仿佛在空間尺度下、在穿越大氣層后“針尖對麥芒”。

城域、廣域，再到天地一體，是中國科學家的規劃目標。業內人士介紹，量子科學實驗衛星上天后，可以實現高速星地量子通信，連接地面的城域量子通信網絡，初步構建我國廣域量子通信體系；“京滬干線”是連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網絡，中間還有合肥、濟南等重要節點。其中，2012年建成的合肥城域量子通信網，4 年來運行良好，通信正確率達99.6%，超過目前的移動通信水平。

量子通信應用前景廣闊。2月24日，科技部部長萬鋼在國新辦新聞發布會上表示，我國新的科技計劃體系將對面向未來的量子通信等方面基礎研究進行重點支持。市場人士認為，中國在量子通信技術研究、產業應用方面處于國際領先地位，未來一旦實現更多技術突破，其市場空間將非常廣闊。

中國科學技術大學科技傳播與科技政策系副教授褚建勛表示，中國政府正在加快打通科技與經濟結合的通道，讓科技成果為社會服務，跟市場接軌，解放科技生產力，幫助解決社會問題。“在包括量子通信在內的先進科技成果轉移轉化的過程中，中國新的經濟增長點將越來越清晰地呈現出來。”褚建勛說。

產業化應用起步

量子密鑰分發保密通信的高安全性所蘊含的戰略意義和經濟價值備受各國政府、學術界與產業界的重視，近年來試點應用和產業化呈現快速發展趨勢。

2003年，美國DARPA資助哈佛大學建立了世界首個量子密鑰分發實驗系統和量子保密通信組網應用。此后，歐美日多國相繼建成了瑞士量子、東京QKD和維也納SECOQC等量子保密通信實驗網絡，演示和驗證了城域組網、量子電話、選舉投票保密等方面的應用。2013年，美國獨立研究機構Battelle公布了環美量子通信骨干網絡項目，計劃采用分段量子密鑰分發，結合安全授信節點進行密碼中繼的方式為谷歌、微軟、亞馬遜等互聯網巨頭的數據中心之間的通信提供量子安全保障服務。

國內的量子保密通信試點應用起步稍晚但發展迅速。2007年中科大在北京打通了國內首個光纖量子電話，之后相繼在北京、濟南、安徽蕪湖與合肥等地建立了多個城域量子保密通信示范網、金融信息量子保密通信技術驗證專線以及關鍵部門間的量子通信熱線。2014年，量子保密通信京滬干線項目通過評審并開始建設，計劃建成北京和上海之間，基于安全授信節點密碼中繼，距離超2000公里的國際首個長距離光纖量子保密通信骨干線路。

量子通信的試點應用催生了一批由科研機構孵化的科技產業實體。其中具有代表性的包括美國MagiQ公司和瑞士IDQ公司等，能夠提供初步商用化的量子密鑰分發系統器件、終端設備和整體應用解決方案。在國內，中科大在量子通信產業化方面表現突出，其衍生與合作建立了安徽量子通信技術有限公司、安徽問天量子科技股份有限公司和山東量子科學技術研究院有限公司，進行量子保密通信前沿研究成果向應用技術和商用化產品的轉化，國家對于量子通信的專項投入和政策扶持為其快速發展注入了強勁動力。

由于安全高效的特性，量子通信在國防、保密、金融等領域有著巨大需求。興業證券分析師指出，以國防領域為例，量子通信可以應用于通信密鑰生成與分發系統，構成作戰區域內機動的安全通信網絡，能用于改進光網信息傳輸保密性，由此提高信息保護和信息對抗能力，也能應用于深海安全通信領域，為遠洋深海安全通信開辟新途徑。

2015年10月，浙江神州量子網絡科技有限公司宣布投入1.7億元，建設“杭滬量子商用干線”。這是國內首條量子通信商用干線，建成后可實現滬杭區域內政府、企業、金融機構等通信數據的加密傳輸。

在金融領域，工商銀行已成功應用量子通信技術實現其北京分行電子檔案信息在同城間的加密傳輸。這也是量子通信技術在國內銀行業的首次成功應用。工商銀行相關負責人表示，為進一步提升信息安全水平，工行聯合中國科學技術大學實施了“量子保密通信京滬干線技術驗證及應用示范項目”，同時開展北京、上海同城及京滬異地千公里級量子通信金融應用落地工作。

阿里巴巴旗下阿里云與中科院旗下國盾量子于2015年10月聯合發布了量子加密通信產品。這也是量子安全通信產品首次落地公共云領域。中信證券分析師陳劍指出，這標志著“云+量”作為基礎設置與服務開始面向更廣泛領域進行應用。

作為通信技術的未來演進方向，量子通信業終將進入廣域網、城域網等公網市場。據陳劍測算，預計2020年國內量子通信市場規模將達210億元。其中，專網市場105億元，公網75億元，其他領域30億元；預計2020年國內量子通信設備領域市場規模為30億元，建設運維領域規模為30億元，運營市場規模將達150億元。

誘人的市場前景吸引了眾多參與者，量子通信產業鏈生態正在逐漸形成。以三力士為例，公司擬出資6000萬元，設立山西三力士量子通信網絡有限公司，推動量子保密通信網、云計算等戰略新興產業的落地和產業化。

2015年7月，中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室宣布成立。該實驗室結合阿里巴巴在計算算法、架構和云計算方面的技術優勢，以及中科院在量子計算和模擬、量子人工智能等方面的優勢，探索下一代超快計算技術。

此外，中科院牽頭，聯合中科大、科大國盾量子技術股份有限公司、阿里巴巴（中國）有限公司、中國鐵路網絡有限公司、中興通訊股份有限公司、北方信息技術研究所等單位發起成立了中國量子通信產業聯盟。

陳劍指出，量子通信產業鏈主要包括元器件、設備、建設運維、運營應用四個環節。其中，元器件方面大部分與傳統通信所使用的沒有太大的差異。但核心器件，如單光子探測器仍主要依賴進口，近距離設備國產可大致代替進口，而長距離設備需要一年或更長時間實現進口替代。

中游核心設備包括量子網關和量子交換機，國內的科大國盾掌握了部分核心技術；問天量子等機構也在參與其中，研發量子通信核心設備，推動產業發展。

隨著更多城際干線啟動，將引入更多商業化運作，帶動量子通信網絡建設和運營需求。這需要在現有光通信網絡中添加相關設備，開辟單獨的通道以確保信號穩定性等。這些工作通常由網絡建設和系統集成商承擔。

陳劍認為，隨著以量子加密為代表的量子通信技術日趨成熟，行業將進入高速發展期，從發展進程、技術門檻以及未來潛力等角度看，當前網絡運營應用與核心設備最具投資價值。