领先国际 打造信息安全“终极武器”

　　2015年12月，世界物理杂志、英国物理学会下属的《物理世界》公布了2015年度国际物理学领域的10项重大突破，潘建伟、陆朝阳等以“多自由度量子隐形传态”的研究成果入选，并荣登榜首。

　　不久，在2015年度国家科技奖评奖中，以潘建伟、彭承志等为主要完的“多光子纠缠及干涉度量”团队，又摘得了我国自然科学领域最高奖项自然科学奖一等奖。

　　接连传出的重磅消息，不仅震动了全球量子物理领域，更让“中国量子通信”正式走进了寻常百姓的视野。

　　“在量子通信领域，中国从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美”

　　这是2012年英国《自然》杂志在报道潘建伟团队量子通信研究成果的新闻特稿“量子太空竞赛”一文中，对中国量子领域的崛起表达的赞美之词。

　　事实上，自“量子通信”概念提出开始，西方各主要发达国家都将量子通信的研发和应用列为优先级战略。

　　IBM公布在未来的5年内投资30亿美元用于未来芯片的发展研究，其中主要内容就包括超导量子芯片；欧洲的“地平线万欧元做量子信息的协同研究；美国国家航空航天局（NASA）正计划在总部与喷气推进实验室之间，建一条600公里左右的量子光纤通信干线

　　1984年，美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard共同提出了第一个量子密钥分发协议，即著名的BB84方案，标志着量子通信领域的诞生。1992年，Bennett又提出了简化的BB84方案（称为B92方案），并和Bessette合作第一次从实验上原理性演示了量子密钥分发。1995年，中国科学院物理研究所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。2000年，该小组又与中国科学院研究生院合作，利用单模光纤完成了1.1公里的量子密钥分发演示实验。2002年至2003年间，瑞士日内瓦大学Gisin小组和我国华东师范大学曾和平小组分别在67公里和50公里光纤中演示了量子密钥分发。2005年，中国科学院院士郭光灿小组在北京和天津之间也实现了125公里光纤的量子密钥分发演示性实验。

　　在量子通信的国际赛跑中，尽管中国属于后来者，但是无论从基础理论研究还是应用研究方面一点也不逊色。基础扎实，势头强劲的中国量子通信博得了世界各国的尊重。

　　然而随着理论研究的深入，科学家们逐渐认识到：由于当时普遍使用弱相干光源模拟理论方案中的单光子源，因此当时所有的量子通信实验实际上是存在安全隐患的，使得当时的安全通信距离只有10公里量级，并不具有实用价值。

　　就在这一年，华人科学家王向斌、罗开广、马雄峰和陈凯等共同提出了基于诱骗态的量子密钥分发实验方案，从理论上把安全通信距离大幅度提高到100公里以上。

　　2006年，潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里的光纤量子密钥分发实验。同时，美国Los Alamos国家实验室美国国家标准局联合实验组和奥地利科学院Anton Zeilinger教授领导的欧洲联合实验室也使用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里的量子密钥分发。

　　这三个实验同时发表在国际著名物理学期刊《物理评论快报》上，真正打开了量子通信技术应用的大门，量子通信得以从实验室演示开始走向实用化和产业化。

　　作为中国量子通信发展的中坚力量，中国科学技术大学量子通信团队经过30余年的建设，创造了国际量子通信领域的一个又一个“传奇”。

　　2005年，潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验，证实了星地量子通信的可行性。

　　2010年，中国科学技术大学和清华大学的研究人员实现了当时国际上距离最远的（16公里）自由空间量子态隐形传输。

　　2012年，潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发

　　今年对于量子通信而言，是具有里程碑意义的一年：由中国科学家自主研发的世界首颗量子科学实验卫星将于7月发射，量子保密通信“京沪干线”下半年全线开通，“天地一体化”的量子通信卫星网络初步形成

　　捷报频传的中国量子通信，让中国乃至世界科学界为之振奋。如今，量子通信已经成为中国为数不多的具有世界领先水平的尖端技术。

　　在电子通信时代，信息安全脆弱得像一层窗户纸。棱镜门等类似事件，已经在很多人的心中留下了深深的“阴影”。

　　比如打电话时，他人可通过器，从通信线路中的信号中分出一些，使其进入另一根线这两种信号不会被扰动，所以通话者无法察觉。去年《纽约时报》报道的美国局谷歌、雅虎用户的通信一事，就暴露出经典通信的隐患。

　　而量子通信可以将信息编码，加载到单个光子的量子叠加态的偏振方向上。单光子是光能量的最小组成单元，不能再被分割，量子状态无法被精确复制，任何行为都会对其造成扰动，从而被通信双方察觉并规避。

　　通过量子态传输，通信双方协商生成量子密钥，再加上对信息进行“一次一密”的加密保护，真正实现信息在传输中的完全随机、不可破译，从根本上解决通信安全问题。

　　回到国内，传统的信息产业目前在技术上仍然处于相对落后的地位，无论是民用通信还是军用通信，在信息加密的硬、软件方面都可能受制于人。例如，在网络传输安全协议、信息处理终端等软、硬件方面，我国都还有相当一部分产品和技术依赖国外。

　　2004年以来，在对量子信息处理的核心资源多量子纠缠的制备与操纵方面，我国先后实现了4光子（2003年）、5光子（2004年）、6光子（2007年）和8光子纠缠（2012年），数次创造了纠缠光子数目的世界纪录。这种对核心资源的处理能力，让我国在量子通信实际应用方面走得更快。

　　早在2008年，我国就建成了光量子电话网，实现了“一次一密”加密方式的实时网络通线节点的量子通信试验网，则于2012年在安徽省合肥市建成投用，通信准确率达到了99.6%，这标志着我国在大容量的量子通信网络技术方面已经取得了关键突破。

　　经过多年的努力，在量子通信城域网方面，中国走在了世界的前列。目前，已经建设完成合肥城域网、济南城域网，上海、北京、杭州、广州、乌鲁木齐等城市也在加紧建设量子通信城域网。

　　要实现远距离甚至全球量子通信，仅仅依靠光纤量子通信技术是远远不够的。这是因为光子极易被信道吸收，造成信号随通信距离指数衰减、误码率提高，进而导致通信失败，使得光纤量子通信很难突破百公里量级传输距离的限制。

　　在当今世界全球化进程日益加快的背景下，短距离的量子保密通信显然无法满足国家、经济、军事等各方面的要求。构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络，才是发展量子通信技术的终极目标。

　　2013年7月17日，习总在视察中国科学院时发表的重要讲话中指出：“量子通信已经开始走向实用化，这将从根本上解决通信安全问题，同时将形成新兴通信产业。”

　　总的希冀，为中国量子通信指明了前进的道路。中国科学家集思广益，绘制了一副全球化广域量子通信网：中国计划在2030年建成全球化的量子通信网络。

　　为此，2011年，启动了量子科学实验卫星的研制，2013年启动了光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目。

　　作为中科院空间科学先导专项的一部分，量子科学实验卫星完全是由中国科学家自主研发。据潘建伟介绍，研制过程中，最困难的环节就是它的有效载荷，“攻克了许多技术难题才拿下”。

　　目前，该卫星已完成载荷正样产品、卫星平台正样产品研制、整星电测和热平衡试验，正在开展发射星集成测试、EMC测试、力学试验、磁测试等工作。

　　在科学应用系统方面，现在已完成兴隆、南山、德令哈量子通信地面站的验收测试。此外，德令哈量子通信地面站与卫星有效载荷初样鉴定件的对接实验，阿里量子隐形传态实验舱验收也已经完成。

　　中科院上海技术物理研究所王建宇研究员曾向媒体介绍，卫星上天后，科学应用系统将在首席科学家的主持下，协调卫星和各大系统，在两年的设计寿命中完成四大任务：星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验。

　　如果量子科学实验卫星成功运行，中国将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，并结合地面已有的光纤量子通信网络，初步构建一个广域量子通信体系。

　　不仅如此，中科院半导体研究所研究员牛智川告诉《科学新闻》：“如果量子科学实验卫星成功运行，对深入理解量子科学并推动应用都具有十分重要的意义。”

　　他解释道，在应用方面，探索组建覆盖面广阔的量子通信网络，可以检验纠缠光子对的远距离传输特性，检验其经过太空和大气层后，纠缠性质的维持等等；在量子理论方面，则可以检验量子理论在大尺度空间的适用性，探索检验广义相对论和量子力学的统一这一终极物理学问题，还可以探索量子引力理论对时空结构的预言等物理学前沿问题。

　　与此同时，将于今年底建成的“京沪干线多公里，将连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台，推动量子通信技术在国防、政务、金融等领域的应用，带动相关产业发展。

　　在潘建伟看来，如果说“京沪干线”像连接地面每个城市、每个信息传输点的“网”，那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信之“网”织就，海量信息将在其中来去如影，并且“无条件”安全。

　　量子通信在中国的发展一直有着明确的路线：通过量子通信研究，从初步实现局域量子通信网络，到实现多横多纵的全球范围量子通信网络，以保证信息传输的绝对安全；通过量子计算研究，为大规模计算难题提供解决方案，实现大数据时代信息的有效挖掘；通过量子精密测量研究，实现新一代定位导航■