量子科技解讀系列之一： 量子通信：距離我們最近的量子技術

薛山

關注力度空前，量子科技走上快車道

據新華社10月17 日報道，中共中央政治局在10月16日就“量子科技研究和應用前景”舉行了第二十四次集體學習。這是量子科技第一次在公開層面進入到我國最高決策層的集體關注視野中。習近平在主持學習時發表了講話指出，近年來，量子科技發展突飛猛進，成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域。加快發展量子科技，對促進高質量發展、保障國家安全具有非常重要的作用。安排這次集體學習，目的是了解世界量子科技發展態勢，分析我國量子科技發展形勢，更好推進我國量子科技發展。

在十九大后，中央政治局已經多次就前沿技術的相關問題進行了集體學習：2017年12月8日的第二次集體學習，主題是“實施國家大數據戰略”;2018年10月31日的第九次集體學習，主題是“人工智能發展現狀和趨勢”;2019年10月24日的第十八次集體學習，主題是“區塊鏈技術發展現狀和趨勢”……可明顯看到，這些集體學習的目的基本上都圍繞前沿科技和核心技術展開布局。

事實上在2016 年發布的《國家“十三五”規劃綱要》支持戰略性新興產業發展中，就明確將量子通信作為重要發展方向;2017年，國家發展改革委組織實施了量子保密通信 “京滬干線” 技術驗證及應用示范項目;2019 年底，國家信息中心、國科量子、國家數據通信工程技術研究中心聯合組建了電子政務量子安全工程實驗室……可見國家對量子科技的重視由來已久，走上高速發展的道路也是必然。

從國際角度來說，美國、歐盟、德國都在兩年前公布了各自的量子科技發展規劃，日本也在半個月之前啟動了量子人才培養項目，可見全世界基本上都已意識到了量子科技對新一輪科技產業發展的重要性。

那么對于廣大老百姓來說，“量子”的概念或許并不陌生，但它究竟是什么，或許很難三言兩語說得清楚，因為它本身就需要相對較高的理論知識基礎才能理解，這也是我們推出“量子科技解讀”系列文章的目的：我們將在未來幾期的內容中由淺入深地為大家講解量子科技基于什么物理原理、它能干什么、前景如何等等問題。那么，今天的第一期，我們就先從大家可能最關心的問題入手：距離我們最近的量子科技是什么？

量子通信最大的優點就是絕對安全

“你變我也變”，量子通信要從量子糾纏說起

長距離量子密鑰加密成為現實

量子技術是基于量子力學原理，結合工程學中的控制論、計算機科學、電子學方法等來實現對量子系統有效控制。而目前來看，最快落地的項目就是量子通信，它利用量子態實現信息的編碼、傳輸、處理和解碼，特別是利用單光子態和糾纏態實現量子密鑰的分配，它背后的原理簡單來說，就是兩個相互糾纏的電子，即便物理距離非常遠也能保持糾纏狀態，只要你觀測到了其中一個電子的狀態，另一個電子也會瞬間產生相同的改變，利用這一性質，量子通信便可以將一個粒子的未知量子態傳送到遙遠的地點，而不用傳送這個粒子本身，可以用來在遙遠兩地的用戶間產生密鑰。長期來看，量子通信產業應用場景十分廣泛，包括網絡信息安全、量子通信干線、量子城域網、金融、國防等方面，整體市場規模有望超過千億元。

相對目前的通信方式來說，量子通信最大的優點就是保密性強，因為當出現信息截獲的情況時，量子態就會發生變化，這種變化會被立即發現，而且如果截獲者不知道密鑰也無法獲得所截獲的信息內容，所以，量子信息不可分割、不可復制的特性決定了它是保障信息安全的“雙保險”。

京滬干網與墨子號，千公里級量子加密成現實

下期將為大家解讀打破傳統0，1數字結構的量子計算技術，圖為IBM 5bit量子處理器芯片

在實踐中，由于實驗條件的種種不完美，安全傳輸的距離是有限的，在很長時間內，安全傳輸距離只有10公里的量級，彼時的學術界曾經認為量子通信基本已經到頭了，沒有太大前途。然而，2003至2005年期間，韓國和中國科學家提出了誘騙態協議，使得安全傳輸距離可以提高到百公里的量級。從此之后，量子密碼術蓬勃發展，而中國獲得了領先地位，大部分的新紀錄都是中國科學技術大學的研究團隊創造的。然而幾百公里的范圍對于城市內部的通信來說是夠用了，合肥、蕪湖、北京、上海、濟南等地都建設了實驗性的量子政務網。但城際、國際之間的通信還完全不夠，所以，2017年9月中國開通的全球首條量子保密通信干線——京滬干線就采用了通過32個中繼節點“接力”轉發的方式，實現了連接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000余公里的量子通信骨干網絡。

但中繼節點的存在也有一個安全隱患：中繼節點的安全必須依靠人來保障，如果節點被劫持就會存在密鑰泄露的風險。為了解決這個問題，于2016年8月16日升空的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”就承擔了這樣的一項重要任務：不依賴可信中繼——讓衛星作為糾纏源，只負責分發糾纏而不掌握任何密鑰信息，只要用戶間能檢測到糾纏，就可以產生安全的密鑰。

在這次實驗中，研究人員在相隔1120公里的新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站設置了兩個地面站。每個站點都有專門為量子實驗設計的直徑為1.2米的地面望遠鏡。為了提高量子密碼鏈路的效率，研究人員對地面接收光路和單光子探測器進行了改進，成功使鏈路收集效率提高了4倍。如此一來，不僅將量子密鑰分發的地面安全距離提高了一個數量級，還使其安全性達到了前所未有的水平，哪怕衛星被別人控制了，密碼也是安全的。

編輯觀點

從2015年開始，量子科技就已經成為國內重點支持的產業方向，量子通信更是頻繁出現在“十三五”規劃中，當前組織集體學習量子科技并發表重要講話無疑也提升了“十四五”規劃將加碼量子科技的預期。在政策的推動下，國內量子科技領域的技術持續發展，屬于國際第一梯隊，尤其是量子通信相關技術處于世界一流水平。在量子計算領域，我國的起步雖然相對不算早，但發展速度很快，中國科學技術大學、清華大學等高校近年來都在量子計算領域取得一些階段性成果，百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出臺了量子計算研究計劃，總體來說前景很光明。

下期，我們將會為大家深入講解量子科技的另一個重點領域：量子計算。這是一個相對更加前沿、影響面更廣的量子科技應用點，我國在這一領域的發展現狀如何，扮演了怎樣的角色？且聽下回分解！