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，正成為全球大國之間科技競爭的前沿領域。而在這一輪的量子通信競賽中，中國儼然占了上風。

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”量子科學實驗衛星，在中國酒泉衛星發射中心發射升空，該衛星將配合多個地面站實施星地量子密鑰分發、星地量子糾纏分發和地星量子遠程傳態等量子通信領域的實驗。

除了基礎科學前沿領域的突破性進展，它也是人類嘗試通過地面站與地面光纖量子通信網絡鏈接，為未來覆蓋全球的天地一體化量子通信網絡積累技術基礎。

此外，由中國科學技術大學承建、2013年國家批準立項、我國量子通信領域另一重大工程——“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，將大幅提高我國軍事、政務、銀行和金融系統的安全性。

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現。

“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域世界領先的優勢，還將有力提速量子通信的產業化進程。按中國科技大學常務副校長、中國科學院院士潘建偉的預測，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，量子通信正展現出前所未有的前景和機遇。

童話與現實

“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，現在有，將來會有更多。”作為量子通信衛星首席科學家，潘建偉如是介紹“墨子號”名稱的由來。

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

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，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可行性等方面的一些質疑也依然存在。一個說法是，相比傳統通信，量子通信目前有許多技術上解決不了的缺陷，量子通信并非“正道”。

“中國人在科學技術上一直不自信。有這種聲音是正常的。在量子通信這個高科技領域，中國領跑了世界，聽起來像個童話，但這已經是現實。”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官王堅也說：“以前我們在科學技術發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。”

據潘建偉介紹，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現。

“量子通信相比于經典通信的最大優勢是安全性。”科大國盾量子總裁趙勇說，它不依賴于算法的復雜度，具有無條件安全性。不過，他也認為，在其他方面，量子通信與經典通信相比優勢并不明顯。

“可以用一個經典的比喻，量子通信好比火車，經典通信好比馬車。火車剛出來的時候，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。火車還經常出毛病。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，中國科學技術大學博士袁嵐峰這樣寫道。

“有沒有量子通信，不是80分和90分的區別，而是0和1的區別，甚至生和死的區別。”袁嵐峰表示，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”

爭議的產生，或許是因為量子通信在中國發展得太快了，遠超常人想象。

以“墨子號”通信衛星為例，該項目從2011年立項到2016年發射，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展更是如同一列飛奔的火車，期間創造了多個“世界第一”：

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

2008年，利用冷原子量子存儲技術，在國際上首次實現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系統的安全距離擴展至200公里，并將成碼率提高了3個數量級，創下新的世界紀錄……

就在“墨子號”發射約一個月之后，國際權威學術期刊《自然·光子學》“不經意”又“暴露”了中國量子通信領域的一項重大進展。

在2012年建成、覆蓋合肥主城區、擁有46個節點的合肥量子城域通信試驗網上，潘建偉的科研團隊與相關合作單位首次實現了預先糾纏分發的獨立量子源之間的量子態隱形傳輸。

量子隱形傳態是基于量子糾纏特性出現的一種新型通信方式。根據量子力學研究，一旦兩個量子之間產生了“糾纏”關系，那么無論相隔多遠，一個量子的狀態發生變化，另一個也會瞬時相應變化。量子隱形傳態相當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，被傳輸的物體就像是進行了一場“穿越”。

但是，要實現這場“穿越”，必須達到“糾纏態預分發”、“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實驗能同時滿足要求。而在合肥量子城域通信網絡的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實驗，這被視作我國未來構建可擴展的大規模量子網絡奠定了基礎。

潘建偉團隊的科研人員告訴《財經國家周刊》記者，未來的量子信息傳輸網絡是廣域量子通信網絡，建設這個網絡，必須要有的一個基本通信方式就是量子態隱形傳輸。“它們實現的是城域網傳輸，城域網是實驗床，未來會有很多新想法可以在這個網絡里進行。”

合肥量子通信城域試驗網是全球首個擁有規模化量子通信網絡的城市。除了中國科技大學的所在地合肥外，2013年11月，濟南量子通信試驗網也投入使用，覆蓋濟南市主城區，包括三個集控站在內共56個節點，涵蓋政務、金融、科研、教育等領域，是迄今為止世界上量子節點、用戶數量、業務種類和“密鑰”發放最多的、規模最大的量子試驗網，每天為數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等量子通信業務。

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、濟南這些城域網支點基礎上建設，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。

按照潘建偉的設想，希望通過10到20年的努力，構建一個天地一體的全球化量子通信網絡，最后構建基于量子安全保障的地面通信網絡。

天上有衛星、地上有干線，在“中國速度”下，一張天地一體的量子通信大網已經初具雛形。

“量子星群”藍圖

不過，要真正實現量子通信的規模化應用，這一切還只是剛剛開始。

據科研人員介紹，要實現量子密鑰傳輸，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”量子衛星，潘建偉團隊通過實驗，驗證了微弱的量子態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，目前國內應用的量子密鑰分發技術存三個不足：一是傳輸的距離比較短;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，在中繼節點密鑰要進行交換，這在某種程度上會引入新的安全風險，降低量子密鑰分發的安全性。

而衛星傳送方面，目前的傳送能力遠遠滿足不了需求。潘建偉介紹，一顆衛星從軌道上每天經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，一顆衛星還遠遠不夠。

無論是“京滬干線”還是“墨子號”量子通信衛星，承擔的都是“中介”功能，實現衛星和地面之間的量子通信，需要結合地面已有的光纖量子通信網絡，初步構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，構建一個天地一體的全球化量子通信網絡，最后構建基于量子安全保障的地面通信網絡。”潘建偉接受媒體采訪時介紹說。

按照他的設想，未來5年，需要至少兩顆衛星上天，以此解決衛星與衛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”，與地面的臺站結合，逐步構建起天地一體的量子通信廣域傳輸網絡。

“這意味著，未來5到10年內，我國有望建成天地一體化的量子通信網絡，實現全球量子化通信。”科技部973青年項目首席科學家、中國科技大學教授張強說。

產業元年

“量子星群”藍圖也許10年之后才能繪就，但在不少業內人士看來“量子稱霸”時代已經到來，2016年就是量子信息的產業化元年。

積極的信號首先來自于國家戰略和政策層面。

10月9日，中央政治局就實施網絡強國戰略進行第三十六次集體學習，習近平總書記指出，要實施網絡信息領域核心技術設備攻堅戰略，推動量子通信等研發和應用取得重大突破。作為事關國家信息和國防安全的前沿技術，量子通信再一次為中國最高決策層所強調。

今年4月，習近平總書記在中國科學技術大學考察時，對量子通信研發工作給予高度肯定。

7月20日，李克強總理主持召開的國務院常務會議上，通過了“十三五”國家科技創新專項規劃，要求在量子通信等重點領域啟動一批新的重大科技項目。據知情人士介紹，今年年底或者明年年初，支持量子信息產業發展的國家級專項基金有望設立。

伴隨著國家戰略、政策扶持和引導，資本聚集加速，量子通信產業正迎來爆發點。

量子通信產業主要包括元器件、設備、建設運維、運營應用四個環節。這其中，無論哪一個環節都充滿商機。

“中國在量子通信領域的產業化進程大大超過歐美國家，已處于產業化發展前期。”天風證券首席策略分析師徐彪告訴《財經國家周刊》記者。尤其在產業鏈的核心環節——量子設備與解決方案提供領域表現突出，全球主要的4家量子設備與解決方案提供商中，有兩家來自中國。“然而，在核心零組件環節還主要依賴進口，亟待突破。

中國的產學研用各界也正在努力突破這一瓶頸。9月12日，由清華大學和九州量子通信技術有限公司共同籌建的量子網絡聯合實驗室揭牌。

據九州量子總裁曹文釗介紹，從具體業務領域來看，聯合實驗室將重點攻克長程量子網絡中關鍵量子器件的研究，促成量子網絡技術在產業化中的應用，重點關注量子網絡關鍵器件的研發及量子保密通信網絡方案的分析與優化，尤其在量子中繼、量子密碼和量子測量等當今量子信息界的重要難題方面，聯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、中興通訊等發起組建“中國量子通信產業聯盟”，聯盟將通過整合在技術研發、核心制造、基礎設施、應用服務、大數據、互聯網以及科技金融等領域代表性核心企業和研究機構的優勢資源，促進創新鏈、產業鏈與資本鏈的聯動，做好產業頂層設計與戰略規劃，推動標準規范的建立健全，構筑可持續發展的量子通信產業生態系統，打造世界領先的量子通信產業。

根據中投顧問的預測，國內量子通信短期市場規模在100億—130億元左右，長期市場規模將超過千億。隨著量子通信商業化進程的推進，產業鏈上中下游將持續受益。

當然，受益的不只是產業鏈。“剛開始，會應用在商業、金融、軍事等領域，這是一項科學研究成果，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。”潘建偉表示，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。