量子通信：中國“彎道超車”

陳浩杰

破解通信安全難題的量子通信技術(shù)，正成為全球大國之間科技競爭的前沿領(lǐng)域。而在這一輪的量子通信競賽中，中國儼然占了上風(fēng)。

2016年8月16日凌晨，人類歷史上第一顆用于量子通信研究的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，該衛(wèi)星將配合多個地面站實施星地量子密鑰分發(fā)、星地量子糾纏分發(fā)和地星量子遠程傳態(tài)等量子通信領(lǐng)域的實驗。

除了基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)域的突破性進展，它也是人類嘗試通過地面站與地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)鏈接，為未來覆蓋全球的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)積累技術(shù)基礎(chǔ)。

此外，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)承建、2013年國家批準(zhǔn)立項、我國量子通信領(lǐng)域另一重大工程——“京滬干線”，按計劃也有望于2016年年底建成。該干線連接北京和上海，全長2000余公里，是世界首條量子保密通信主干網(wǎng)，將大幅提高我國軍事、政務(wù)、銀行和金融系統(tǒng)的安全性。

量子通信的“特異功能”在于“一次一密”，一旦通信被竊聽通信雙方都能立刻發(fā)現(xiàn)。

“墨子號”和“京滬干線”兩大工程的實施，不但擴大了我國在量子通信領(lǐng)域世界領(lǐng)先的優(yōu)勢，還將有力提速量子通信的產(chǎn)業(yè)化進程。按中國科技大學(xué)常務(wù)副校長、中國科學(xué)院院士潘建偉的預(yù)測，也許在15年之后，每個人都可以用上無條件安全的量子手機。

可以說，量子通信正展現(xiàn)出前所未有的前景和機遇。

童話與現(xiàn)實

“我們想用名字提醒大家，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?！弊鳛榱孔油ㄐ判l(wèi)星首席科學(xué)家，潘建偉如是介紹“墨子號”名稱的由來。

8月16日“墨子號”成功發(fā)射后，潘建偉立即成了“網(wǎng)紅”。他的身影出現(xiàn)在多個論壇或講臺，面向不同的群體講解量子通信。9月1日，在北京中關(guān)村一小，潘建偉還受邀為小學(xué)生們上了普及量子常識的開學(xué)第一課。

在每個公開場合，潘建偉所有的演講，總離不開兩個問題：量子通信厲害在哪里？中國的量子通信又有多厲害？對這一缺乏日常感知的新技術(shù)，有人“不明覺厲”，也有人不覺生疑。

即使是“墨子號”上了天，對于量子通信的技術(shù)可行性等方面的一些質(zhì)疑也依然存在。一個說法是，相比傳統(tǒng)通信，量子通信目前有許多技術(shù)上解決不了的缺陷，量子通信并非“正道”。

“中國人在科學(xué)技術(shù)上一直不自信。有這種聲音是正常的。在量子通信這個高科技領(lǐng)域，中國領(lǐng)跑了世界，聽起來像個童話，但這已經(jīng)是現(xiàn)實。”一位多年研究量子通信的專家如是評價。

阿里巴巴集團首席技術(shù)官王堅也說：“以前我們在科學(xué)技術(shù)發(fā)展方面總是處于追趕者位置，向世界去尋求答案，但這次，我們有機會給世界一個提問的機會?！?/p>

據(jù)潘建偉介紹，量子通信的“特異功能”在于“一次一密”：在量子密鑰分發(fā)過程中，其每個信息都依靠單個光子傳送。它不可分割，不可克隆，一旦通信被竊聽，通信雙方都能立刻發(fā)現(xiàn)。

“量子通信相比于經(jīng)典通信的最大優(yōu)勢是安全性?！笨拼髧芰孔涌偛泌w勇說，它不依賴于算法的復(fù)雜度，具有無條件安全性。不過，他也認為，在其他方面，量子通信與經(jīng)典通信相比優(yōu)勢并不明顯。

“可以用一個經(jīng)典的比喻，量子通信好比火車，經(jīng)典通信好比馬車?；疖噭偝鰜淼臅r候，在很多方面不如馬車。例如火車只能在鐵軌上跑，馬車可以去任何地方?；疖囘€經(jīng)常出毛病。但即使有這些缺點，有遠見的人還是能看明白，火車的發(fā)展空間遠遠大于馬車，未來一定屬于火車。”在《這些否定量子通信的說法，為什么是錯的？》一文中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士袁嵐峰這樣寫道。

“有沒有量子通信，不是80分和90分的區(qū)別，而是0和1的區(qū)別，甚至生和死的區(qū)別?！痹瑣狗灞硎?，非理性否定量子通信的說法對社會的危害不小，需要認真對待。

“中國速度”

爭議的產(chǎn)生，或許是因為量子通信在中國發(fā)展得太快了，遠超常人想象。

以“墨子號”通信衛(wèi)星為例，該項目從2011年立項到2016年發(fā)射，只用了5年時間。而在過去的10多年時間，量子通信在中國的發(fā)展更是如同一列飛奔的火車，期間創(chuàng)造了多個“世界第一”：

2003年，首次實現(xiàn)糾纏態(tài)純化以及量子中繼器的成功實驗，首次成功地實現(xiàn)了自由量子態(tài)隱形傳輸;

2008年，利用冷原子量子存儲技術(shù)，在國際上首次實現(xiàn)了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光纖連接的兩個冷原子系綜之間的量子糾纏;

2014年11月，將可以抵御黑客攻擊的遠程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴展至200公里，并將成碼率提高了3個數(shù)量級，創(chuàng)下新的世界紀錄……

就在“墨子號”發(fā)射約一個月之后，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》“不經(jīng)意”又“暴露”了中國量子通信領(lǐng)域的一項重大進展。

在2012年建成、覆蓋合肥主城區(qū)、擁有46個節(jié)點的合肥量子城域通信試驗網(wǎng)上，潘建偉的科研團隊與相關(guān)合作單位首次實現(xiàn)了預(yù)先糾纏分發(fā)的獨立量子源之間的量子態(tài)隱形傳輸。

量子隱形傳態(tài)是基于量子糾纏特性出現(xiàn)的一種新型通信方式。根據(jù)量子力學(xué)研究，一旦兩個量子之間產(chǎn)生了“糾纏”關(guān)系，那么無論相隔多遠，一個量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個也會瞬時相應(yīng)變化。量子隱形傳態(tài)相當(dāng)于將甲地某一粒子的量子信息在乙地另一粒子上還原出來，被傳輸?shù)奈矬w就像是進行了一場“穿越”。

但是，要實現(xiàn)這場“穿越”，必須達到“糾纏態(tài)預(yù)分發(fā)”、“獨立量子源干涉”和“前置反饋”三個要素，之前國際上還沒有任何一個量子隱形傳態(tài)實驗?zāi)芡瑫r滿足要求。而在合肥量子城域通信網(wǎng)絡(luò)的30公里光纖上，科研人員完成了滿足上述三要素的量子隱形傳態(tài)實驗，這被視作我國未來構(gòu)建可擴展的大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

潘建偉團隊的科研人員告訴《財經(jīng)國家周刊》記者，未來的量子信息傳輸網(wǎng)絡(luò)是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)這個網(wǎng)絡(luò)，必須要有的一個基本通信方式就是量子態(tài)隱形傳輸?！八鼈儗崿F(xiàn)的是城域網(wǎng)傳輸，城域網(wǎng)是實驗床，未來會有很多新想法可以在這個網(wǎng)絡(luò)里進行。”

合肥量子通信城域試驗網(wǎng)是全球首個擁有規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的城市。除了中國科技大學(xué)的所在地合肥外，2013年11月，濟南量子通信試驗網(wǎng)也投入使用，覆蓋濟南市主城區(qū)，包括三個集控站在內(nèi)共56個節(jié)點，涵蓋政務(wù)、金融、科研、教育等領(lǐng)域，是迄今為止世界上量子節(jié)點、用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)種類和“密鑰”發(fā)放最多的、規(guī)模最大的量子試驗網(wǎng)，每天為數(shù)以百計的用戶單位提供語音電話、傳真、文本通信和文件傳輸?shù)攘孔油ㄐ艠I(yè)務(wù)。

我國量子通信的另一項重大工程——量子保密通信線路“京滬干線”，正是在合肥、濟南這些城域網(wǎng)支點基礎(chǔ)上建設(shè)，就此形成一條綿延2000多公里的廣域光纖量子保密通信骨干線路。

按照潘建偉的設(shè)想，希望通過10到20年的努力，構(gòu)建一個天地一體的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)，最后構(gòu)建基于量子安全保障的地面通信網(wǎng)絡(luò)。

天上有衛(wèi)星、地上有干線，在“中國速度”下，一張?zhí)斓匾惑w的量子通信大網(wǎng)已經(jīng)初具雛形。

“量子星群”藍圖

不過，要真正實現(xiàn)量子通信的規(guī)模化應(yīng)用，這一切還只是剛剛開始。

據(jù)科研人員介紹，要實現(xiàn)量子密鑰傳輸，目前主要有可信中繼站和星地量子通信兩條路徑。在可信中繼站的探索上，通過中繼器放大信號，保證密鑰的傳輸與安全，這一途徑依托的是在建的“京滬干線”。而星地量子通信方面，則是依托“墨子號”量子衛(wèi)星，潘建偉團隊通過實驗，驗證了微弱的量子態(tài)在穿越大氣層后是可有效保持的，且每秒可傳送1萬個密鑰。

不過，目前這兩條路徑都存在一些難題。

中國信息通信研究院高級工程師趙文玉說，目前國內(nèi)應(yīng)用的量子密鑰分發(fā)技術(shù)存三個不足：一是傳輸?shù)木嚯x比較短;二是量子密鑰生成的碼率比較低;三是長距離的傳輸必須部署中繼。即使是擁有了一批可信中繼站，在中繼節(jié)點密鑰要進行交換，這在某種程度上會引入新的安全風(fēng)險，降低量子密鑰分發(fā)的安全性。

而衛(wèi)星傳送方面，目前的傳送能力遠遠滿足不了需求。潘建偉介紹，一顆衛(wèi)星從軌道上每天經(jīng)過上海大概只有一軌，也就只有幾百秒，每秒鐘可以送1萬個密鑰，幾百秒也只是傳送幾百萬密鑰的信息。因此，一顆衛(wèi)星還遠遠不夠。

無論是“京滬干線”還是“墨子號”量子通信衛(wèi)星，承擔(dān)的都是“中介”功能，實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，需要結(jié)合地面已有的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建一個廣域的量子通信體系。

“我們希望通過10到20年的努力，構(gòu)建一個天地一體的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)，最后構(gòu)建基于量子安全保障的地面通信網(wǎng)絡(luò)?！迸私▊ソ邮苊襟w采訪時介紹說。

按照他的設(shè)想，未來5年，需要至少兩顆衛(wèi)星上天，以此解決衛(wèi)星與衛(wèi)星之間通訊全天時的問題。再通過10年左右的努力，形成“星群”，與地面的臺站結(jié)合，逐步構(gòu)建起天地一體的量子通信廣域傳輸網(wǎng)絡(luò)。

“這意味著，未來5到10年內(nèi)，我國有望建成天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全球量子化通信?！笨萍疾?73青年項目首席科學(xué)家、中國科技大學(xué)教授張強說。

產(chǎn)業(yè)元年

“量子星群”藍圖也許10年之后才能繪就，但在不少業(yè)內(nèi)人士看來“量子稱霸”時代已經(jīng)到來，2016年就是量子信息的產(chǎn)業(yè)化元年。

積極的信號首先來自于國家戰(zhàn)略和政策層面。

10月9日，中央政治局就實施網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略進行第三十六次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記指出，要實施網(wǎng)絡(luò)信息領(lǐng)域核心技術(shù)設(shè)備攻堅戰(zhàn)略，推動量子通信等研發(fā)和應(yīng)用取得重大突破。作為事關(guān)國家信息和國防安全的前沿技術(shù)，量子通信再一次為中國最高決策層所強調(diào)。

今年4月，習(xí)近平總書記在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)考察時，對量子通信研發(fā)工作給予高度肯定。

7月20日，李克強總理主持召開的國務(wù)院常務(wù)會議上，通過了“十三五”國家科技創(chuàng)新專項規(guī)劃，要求在量子通信等重點領(lǐng)域啟動一批新的重大科技項目。據(jù)知情人士介紹，今年年底或者明年年初，支持量子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國家級專項基金有望設(shè)立。

伴隨著國家戰(zhàn)略、政策扶持和引導(dǎo)，資本聚集加速，量子通信產(chǎn)業(yè)正迎來爆發(fā)點。

量子通信產(chǎn)業(yè)主要包括元器件、設(shè)備、建設(shè)運維、運營應(yīng)用四個環(huán)節(jié)。這其中，無論哪一個環(huán)節(jié)都充滿商機。

“中國在量子通信領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進程大大超過歐美國家，已處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前期?！碧祜L(fēng)證券首席策略分析師徐彪告訴《財經(jīng)國家周刊》記者。尤其在產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)——量子設(shè)備與解決方案提供領(lǐng)域表現(xiàn)突出，全球主要的4家量子設(shè)備與解決方案提供商中，有兩家來自中國。“然而，在核心零組件環(huán)節(jié)還主要依賴進口，亟待突破。

中國的產(chǎn)學(xué)研用各界也正在努力突破這一瓶頸。9月12日，由清華大學(xué)和九州量子通信技術(shù)有限公司共同籌建的量子網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實驗室揭牌。

據(jù)九州量子總裁曹文釗介紹，從具體業(yè)務(wù)領(lǐng)域來看，聯(lián)合實驗室將重點攻克長程量子網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵量子器件的研究，促成量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用，重點關(guān)注量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵器件的研發(fā)及量子保密通信網(wǎng)絡(luò)方案的分析與優(yōu)化，尤其在量子中繼、量子密碼和量子測量等當(dāng)今量子信息界的重要難題方面，聯(lián)合實驗室的成立將起到重要推進作用。

而早在去年年底，國科控股、科大國盾量子、阿里巴巴、中興通訊等發(fā)起組建“中國量子通信產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，聯(lián)盟將通過整合在技術(shù)研發(fā)、核心制造、基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用服務(wù)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)以及科技金融等領(lǐng)域代表性核心企業(yè)和研究機構(gòu)的優(yōu)勢資源，促進創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈與資本鏈的聯(lián)動，做好產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計與戰(zhàn)略規(guī)劃，推動標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立健全，構(gòu)筑可持續(xù)發(fā)展的量子通信產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，打造世界領(lǐng)先的量子通信產(chǎn)業(yè)。

根據(jù)中投顧問的預(yù)測，國內(nèi)量子通信短期市場規(guī)模在100億—130億元左右，長期市場規(guī)模將超過千億。隨著量子通信商業(yè)化進程的推進，產(chǎn)業(yè)鏈上中下游將持續(xù)受益。

當(dāng)然，受益的不只是產(chǎn)業(yè)鏈。“剛開始，會應(yīng)用在商業(yè)、金融、軍事等領(lǐng)域，這是一項科學(xué)研究成果，誰都可以來用;5年后，很多政府部門都會用到;15年后，應(yīng)該可以走進千家萬戶，每個人的手機上都可以裝一個量子加密芯片，保護自己的隱私?！迸私▊ケ硎?，將來每個人在互聯(lián)網(wǎng)上進行的轉(zhuǎn)款、支付等消費行為，都能夠享受到量子通信的安全保障。