2015年12月，世界頂級物理雜志、英國物理學會下屬的《物理世界》公布了2015年度國際物理學領(lǐng)域的10項重大突破，潘建偉、陸朝陽等以“多自由度量子隱形傳態(tài)”的研究成果入選，并榮登榜首。
不久，在2015年度國家科技獎評獎中，以潘建偉、彭承志等為主要完成人的“多光子糾纏及干涉度量”團隊，又摘得了我國自然科學領(lǐng)域最高獎項——自然科學獎一等獎。
接連傳出的重磅消息，不僅震動了全球量子物理領(lǐng)域，更讓“中國量子通信”正式走進了尋常百姓的視野。
從跟隨者到領(lǐng)跑者
“在量子通信領(lǐng)域，中國從10年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”
這是2012年英國《自然》雜志在報道潘建偉團隊量子通信研究成果的新聞特稿“量子太空競賽”一文中，對中國量子領(lǐng)域的崛起表達的贊美之詞。
事實上，自“量子通信”概念提出開始，西方各主要發(fā)達國家都將量子通信的研發(fā)和應(yīng)用列為優(yōu)先級戰(zhàn)略。
IBM公布在未來的5年內(nèi)投資30億美元用于未來芯片的發(fā)展研究，其中主要內(nèi)容就包括超導量子芯片；歐洲的“地平線2020”計劃宣布每年用1000萬歐元做量子信息的協(xié)同研究；美國國家航空航天局（NASA）正計劃在總部與噴氣推進實驗室之間，建一條600公里左右的量子光纖通信干線……
1984年，美國IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利爾大學的Brassard共同提出了第一個量子密鑰分發(fā)協(xié)議，即著名的BB84方案，標志著量子通信領(lǐng)域的誕生。1992年，Bennett又提出了簡化的BB84方案（稱為B92方案），并和Bessette合作第一次從實驗上原理性演示了量子密鑰分發(fā)。1995年，中國科學院物理研究所吳令安小組在實驗室內(nèi)完成了我國最早的量子密鑰分發(fā)實驗演示。2000年，該小組又與中國科學院研究生院合作，利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發(fā)演示實驗。2002年至2003年間，瑞士日內(nèi)瓦大學Gisin小組和我國華東師范大學曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。2005年，中國科學院院士郭光燦小組在北京和天津之間也實現(xiàn)了125公里光纖的量子密鑰分發(fā)演示性實驗。
在量子通信的國際賽跑中，盡管中國屬于后來者，但是無論從基礎(chǔ)理論研究還是應(yīng)用研究方面一點也不遜色。基礎(chǔ)扎實，勢頭強勁的中國量子通信博得了世界各國的尊重。
2005年，國際上已經(jīng)有三個實驗小組聲稱可以將通信距離達到100公里以上。
然而隨著理論研究的深入，科學家們逐漸認識到：由于當時普遍使用弱相干光源模擬理論方案中的單光子源，因此當時所有的量子通信實驗實際上是存在安全隱患的，使得當時的安全通信距離只有10公里量級，并不具有實用價值。
就在這一年，華人科學家王向斌、羅開廣、馬雄峰和陳凱等共同提出了基于誘騙態(tài)的量子密鑰分發(fā)實驗方案，從理論上把安全通信距離大幅度提高到100公里以上。
2006年，潘建偉團隊在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實驗。同時，美國Los Alamos國家實驗室—美國國家標準局聯(lián)合實驗組和奧地利科學院Anton Zeilinger教授領(lǐng)導的歐洲聯(lián)合實驗室也使用誘騙態(tài)方案實現(xiàn)了安全距離超過100公里的量子密鑰分發(fā)。
這三個實驗同時發(fā)表在國際著名物理學期刊《物理評論快報》上，真正打開了量子通信技術(shù)應(yīng)用的大門，量子通信得以從實驗室演示開始走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化。
作為中國量子通信發(fā)展的中堅力量，中國科學技術(shù)大學量子通信團隊經(jīng)過30余年的建設(shè)，創(chuàng)造了國際量子通信領(lǐng)域的一個又一個“傳奇”。
2005年，潘建偉團隊在世界上第一次實現(xiàn)13公里自由空間量子通信實驗，證實了星—地量子通信的可行性。
2009年，潘建偉團隊在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200公里。
2010年，中國科學技術(shù)大學和清華大學的研究人員實現(xiàn)了當時國際上距離最遠的（16公里）自由空間量子態(tài)隱形傳輸。
2012年，潘建偉等人在國際上首次成功實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)……
今年對于量子通信而言，是具有里程碑意義的一年：由中國科學家自主研發(fā)的世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星將于7月發(fā)射，量子保密通信“京滬干線”下半年全線開通，“天地一體化”的量子通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)初步形成……
捷報頻傳的中國量子通信，讓中國乃至世界科學界為之振奮。如今，量子通信已經(jīng)成為中國為數(shù)不多的具有世界領(lǐng)先水平的尖端技術(shù)。
從神話邁向?qū)嵱没?/strong>
在電子通信時代，信息安全脆弱得像一層窗戶紙。棱鏡門等類似事件，已經(jīng)在很多人的心中留下了深深的“陰影”。
基于計算復(fù)雜度的經(jīng)典加密體系一次次被破解，絞盡腦汁的信息加密最終可能淪為虛設(shè)。
比如打電話時，他人可通過竊聽器，從通信線路中的信號中分出一些，使其進入另一根線路。竊聽時，0和1這兩種信號不會被擾動，所以通話者無法察覺。去年《紐約時報》報道的美國國家安全局監(jiān)聽谷歌、雅虎用戶的通信一事，就暴露出經(jīng)典通信的隱患。
而量子通信可以將信息編碼，加載到單個光子的量子疊加態(tài)的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元，不能再被分割，量子狀態(tài)無法被精確復(fù)制，任何竊聽行為都會對其造成擾動，從而被通信雙方察覺并規(guī)避。
通過量子態(tài)傳輸，通信雙方協(xié)商生成量子密鑰，再加上對信息進行“一次一密”的加密保護，真正實現(xiàn)信息在傳輸中的完全隨機、不可破譯，從根本上解決通信安全問題。
“從理論上來說，量子通信是絕對安全的。”潘建偉曾表示。
回到國內(nèi)，傳統(tǒng)的信息產(chǎn)業(yè)目前在技術(shù)上仍然處于相對落后的地位，無論是民用通信還是軍用通信，在信息加密的硬、軟件方面都可能受制于人。例如，在網(wǎng)絡(luò)傳輸安全協(xié)議、信息處理終端等軟、硬件方面，我國都還有相當一部分產(chǎn)品和技術(shù)依賴國外。
在當今信息全球化的大背景下，保障國家信息安全，唯有求助于量子通信這一“終極武器”。
2004年以來，在對量子信息處理的核心資源——多量子糾纏的制備與操縱方面，我國先后實現(xiàn)了4光子（2003年）、5光子（2004年）、6光子（2007年）和8光子糾纏（2012年），數(shù)次創(chuàng)造了糾纏光子數(shù)目的世界紀錄。這種對核心資源的處理能力，讓我國在量子通信實際應(yīng)用方面走得更快。
早在2008年，我國就建成了光量子電話網(wǎng)，實現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實時網(wǎng)絡(luò)通話。世界上規(guī)模最大的46節(jié)點的量子通信試驗網(wǎng)，則于2012年在安徽省合肥市建成投用，通信準確率達到了99.6%，這標志著我國在大容量的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面已經(jīng)取得了關(guān)鍵突破。
經(jīng)過多年的努力，在量子通信城域網(wǎng)方面，中國走在了世界的前列。目前，已經(jīng)建設(shè)完成合肥城域網(wǎng)、濟南城域網(wǎng)，上海、北京、杭州、廣州、烏魯木齊等城市也在加緊建設(shè)量子通信城域網(wǎng)。
然而，這只是個開始。
要實現(xiàn)遠距離甚至全球量子通信，僅僅依靠光纖量子通信技術(shù)是遠遠不夠的。這是因為光子極易被信道吸收，造成信號隨通信距離指數(shù)衰減、誤碼率提高，進而導致通信失敗，使得光纖量子通信很難突破百公里量級傳輸距離的限制。
在當今世界全球化進程日益加快的背景下，短距離的量子保密通信顯然無法滿足國家政治、經(jīng)濟、軍事等各方面的要求。構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)，才是發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標。
迎難而上，雷厲風行。中國量子科學家們已開始積極行動。
“編織”全球化廣域量子通信網(wǎng)
2013年7月17日，習近平總書記在視察中國科學院時發(fā)表的重要講話中指出：“量子通信已經(jīng)開始走向?qū)嵱没�，這將從根本上解決通信安全問題，同時將形成新興通信產(chǎn)業(yè)。”
總書記的希冀，為中國量子通信指明了前進的道路。中國科學家集思廣益，繪制了一副全球化廣域量子通信網(wǎng)：中國計劃在2030年建成全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)。
為此，2011年，啟動了量子科學實驗衛(wèi)星的研制，2013年啟動了光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”項目。
作為中科院空間科學先導專項的一部分，量子科學實驗衛(wèi)星完全是由中國科學家自主研發(fā)。據(jù)潘建偉介紹，研制過程中，最困難的環(huán)節(jié)就是它的有效載荷，“攻克了許多技術(shù)難題才拿下”。
目前，該衛(wèi)星已完成載荷正樣產(chǎn)品、衛(wèi)星平臺正樣產(chǎn)品研制、整星電測和熱平衡試驗，正在開展發(fā)射星集成測試、EMC測試、力學試驗、磁測試等工作。
在科學應(yīng)用系統(tǒng)方面，現(xiàn)在已完成興隆、南山、德令哈量子通信地面站的驗收測試。此外，德令哈量子通信地面站與衛(wèi)星有效載荷初樣鑒定件的對接實驗，阿里量子隱形傳態(tài)實驗艙驗收也已經(jīng)完成。
中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究員曾向媒體介紹，衛(wèi)星上天后，科學應(yīng)用系統(tǒng)將在首席科學家的主持下，協(xié)調(diào)衛(wèi)星和各大系統(tǒng)，在兩年的設(shè)計壽命中完成四大任務(wù)：星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗、星地量子糾纏分發(fā)實驗和地星量子隱形傳態(tài)實驗。
如果量子科學實驗衛(wèi)星成功運行，中國將在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，并結(jié)合地面已有的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建一個廣域量子通信體系。
不僅如此，中科院半導體研究所研究員牛智川告訴《科學新聞》：“如果量子科學實驗衛(wèi)星成功運行，對深入理解量子科學并推動應(yīng)用都具有十分重要的意義。”
他解釋道，在應(yīng)用方面，探索組建覆蓋面廣闊的量子通信網(wǎng)絡(luò)，可以檢驗糾纏光子對的遠距離傳輸特性，檢驗其經(jīng)過太空和大氣層后，糾纏性質(zhì)的維持等等；在量子理論方面，則可以檢驗量子理論在大尺度空間的適用性，探索檢驗廣義相對論和量子力學的統(tǒng)一這一終極物理學問題，還可以探索量子引力理論對時空結(jié)構(gòu)的預(yù)言等物理學前沿問題。
與此同時，將于今年底建成的“京滬干線”全長2000多公里，將連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，建成大尺度量子通信技術(shù)驗證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺，推動量子通信技術(shù)在國防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的應(yīng)用，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
在潘建偉看來，如果說“京滬干線”像連接地面每個城市、每個信息傳輸點的“網(wǎng)”，那么量子科學實驗衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標槍”。當這張縱橫寰宇的量子通信之“網(wǎng)”織就，海量信息將在其中來去如影，并且“無條件”安全。
量子通信在中國的發(fā)展一直有著明確的路線：通過量子通信研究，從初步實現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò)，以保證信息傳輸?shù)慕^對安全；通過量子計算研究，為大規(guī)模計算難題提供解決方案，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現(xiàn)新一代定位導航……■