2016年4月26日，安徽合肥正多雨時節(jié)。
中共中央總書記、國家主席習(xí)近平走進(jìn)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，視察量子通信等高新技術(shù)。
在察看了量子通信等量子信息科學(xué)研究的成果展示后，總書記來到量子通信“京滬干線”和量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星總控中心，聽取了中國科學(xué)院院士、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉對于量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)行和應(yīng)用情況的詳細(xì)介紹。
“很有前途、非常重要。”對于量子通信研發(fā)工作，總書記給予了充分肯定。同時，總書記指出，這些科研成果表明中國科大在新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面動作快、力度大、成績明顯。
在中國科大人眼中，總書記的這番話不僅是對廣大科研人員的鼓勵，更是寄予了殷切的期望。
其實(shí)，國家對量子通信研發(fā)工作的關(guān)注由來已久。
2006年2月9日，國務(wù)院發(fā)布《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，將以量子通信系統(tǒng)為核心的量子調(diào)控技術(shù)列入了科技部4項(xiàng)“重大科學(xué)研究計劃”之一。
2013年7月17日，總書記在中科院考察工作時指出：“科學(xué)家們開始調(diào)控量子世界，這將極大推動信息、能源、材料科學(xué)發(fā)展，帶來新的產(chǎn)業(yè)革命。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)。”
時隔兩年。2015年11月，《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》發(fā)布。建議指出，以2030年為時間節(jié)點(diǎn)，再部署一批體現(xiàn)國家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目，力爭有所突破。在入選的首批重大科技項(xiàng)目中，量子通信再次位列其中。
進(jìn)入21世紀(jì)，信息科學(xué)已經(jīng)從“經(jīng)典時代”跨越到“量子時代”，成為各國未來高技術(shù)的戰(zhàn)略競爭焦點(diǎn)之一，量子信息領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化的未來潛力也越來越得到世界各國的認(rèn)可。
如今，量子通信已進(jìn)入國家頂層設(shè)計，國家層面的專項(xiàng)投入和政策扶持更為其快速發(fā)展注入了強(qiáng)勁動力。
“無條件”安全
在新一代通信設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的今天，信息安全領(lǐng)域早已成為世界強(qiáng)國之間無形的戰(zhàn)場。
尤其是“棱鏡門”事件后，包括通信安全和網(wǎng)絡(luò)安全在內(nèi)的信息安全得到了國家和政府的高度關(guān)注和空前重視。此后，各國政府快速采取了一系列政策和措施，將信息安全保衛(wèi)戰(zhàn)上升到了國家戰(zhàn)略層面。
從理論上來說，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)計算加密方法都是可以破譯的，再復(fù)雜的數(shù)學(xué)密鑰也可以找到規(guī)律。特別是伴隨著現(xiàn)代計算機(jī)的誕生并飛速發(fā)展，破譯數(shù)學(xué)密碼的難度系數(shù)也逐漸降低，現(xiàn)有的密碼系統(tǒng)受到強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)。
然而幸運(yùn)的是，量子理論為人類追求信息的“絕對安全”打開了一扇窗。
在保密通信領(lǐng)域，量子通信是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明“無條件安全”的通信方式。通過量子通信，人們可以從根本上解決國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題，也正因如此，量子通信也被稱為是繼微電子信息之后，最可能引發(fā)軍事、經(jīng)濟(jì)、社會領(lǐng)域又一次重大革命的關(guān)鍵技術(shù)。
量子通信之所以“神奇”，在于其特別的“量子密鑰”。量子密鑰分發(fā)過程被嚴(yán)格證明是絕對安全的，因?yàn)樗陌踩圆灰蕾囉谟嬎愕膹?fù)雜性，而是基于量子力學(xué)基本原理，因此不會受到計算能力和數(shù)學(xué)水平不斷提升的威脅。
量子密鑰采用具有量子態(tài)的物質(zhì)作為密碼，一旦被截獲或者被測量，其自身狀態(tài)就會立刻發(fā)生改變。截獲量子密鑰的人只能得到無效信息，而信息的合法接收者則可以從量子態(tài)的改變中得知量子密鑰曾被截取過，是否被竊聽便可了然于胸。
將量子密鑰應(yīng)用于量子通信中，就是量子保密通信。與傳統(tǒng)通信方式相比，量子保密通信采用的是“一次一密”的工作機(jī)制。通話期間，密碼機(jī)每分每秒都在產(chǎn)生密碼；一旦通話結(jié)束，這串密碼就會立即失效，且下次通話不會重復(fù)�？梢哉f，利用量子密碼系統(tǒng)加密的信息不僅現(xiàn)在是絕對安全的，未來同樣絕對安全。
聚焦太空 挑戰(zhàn)極限
由于量子通信技術(shù)的巨大優(yōu)勢及潛力，世界各國特別是歐盟、美國和日本紛紛投入了大量的人力、物力進(jìn)行通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
目前，光纖量子密碼技術(shù)正從點(diǎn)對點(diǎn)量子密鑰分發(fā)的初級階段，向?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的量子安全性方向深入發(fā)展，全球各地正在加緊進(jìn)行量子通信系統(tǒng)的實(shí)用化和工程化建設(shè)。
從各國戰(zhàn)略計劃看，無論是歐盟聯(lián)合12成員國發(fā)展的基于量子中繼和衛(wèi)星的自由空間量子通信鏈路，還是美國政、企、校聯(lián)合展開研制的量子互聯(lián)網(wǎng)，亦或是日本計劃到2040年建成極限容量、無條件安全量子通信網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，各國誓要搶占量子通信未來制高點(diǎn)的“野心”已經(jīng)明朗。
如今，中國科研團(tuán)隊(duì)基于光纖通道的量子密鑰分發(fā)已突破百公里，但是在通信距離上卻難有更大的根本性突破。這是因?yàn)樽鳛檠芯亢筒倏v對象的光子易被信道吸收，造成信號隨通信距離成指數(shù)地衰減、誤碼率提高進(jìn)而導(dǎo)致通信失敗。
不僅如此，由于我國幅員遼闊，加之當(dāng)今世界全球化進(jìn)程日益加快，短距離的量子保密通信顯然無法滿足國家政治、經(jīng)濟(jì)、軍事各方面的要求。
面對嚴(yán)峻的形勢，中國科學(xué)家們絲毫不敢怠慢，積極謀劃，最終將目光聚焦于太空。
在他們看來，發(fā)展量子通信技術(shù)的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)覆蓋全國的、廣域乃至全球量子通信，但這一目標(biāo)必須要通過自由空間光子傳輸來實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)榇髿鈱δ承┨囟úㄩL的光子吸收非常小，而且大氣中幾乎沒有雙折射，從而能將極化糾纏的光子品質(zhì)保持得很好。
然而，由于受到地面障礙物、地表曲率、地面氣象等條件的種種限制，在地面附近難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自由空間量子傳輸。所以，要真正發(fā)揮自由空間的優(yōu)勢，必須結(jié)合衛(wèi)星通信和載人飛船技術(shù)。
在外太空中，真空的環(huán)境對光的傳輸幾乎沒有衰減，同樣也沒有退相干效應(yīng)。所以若能夠?qū)喂庾踊蚣m纏光子對傳出大氣層，配合星載平臺技術(shù)和光束精確定位技術(shù)，就有可能實(shí)現(xiàn)自由空間的遠(yuǎn)距離量子通信。
通過地面站建立地面量子通信網(wǎng)絡(luò)和空間飛行平臺之間的橋梁，就可以將廣域分布的地面量子通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)真正的廣域量子通信。當(dāng)然，挑戰(zhàn)極限的魅力還不止于此。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱曾表示：“作為一名科學(xué)家，驅(qū)使我不斷前行的動力在于探尋更多的物理學(xué)基礎(chǔ)知識。”
到目前為止，人類所進(jìn)行的大部分對量子力學(xué)原理的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)都停留在較小尺度的實(shí)驗(yàn)室范圍，在更大尺度的范圍中去檢驗(yàn)量子理論的正確性和量子理論預(yù)示的各種奇異現(xiàn)象的真實(shí)性，一直是很多量子理論科學(xué)家夢寐以求的。
例如，在空間大尺度下量子糾纏能否保持？相對論對量子糾纏有何影響？能否在類空間隔條件下實(shí)現(xiàn)量子非定域性終極檢驗(yàn)？這些空間大尺度量子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對于量子理論乃至整個物理學(xué)的發(fā)展都有著至關(guān)重要的意義。
正如沃爾夫物理學(xué)獎得主、奧地利科學(xué)院量子光學(xué)和量子信息研究所科學(xué)主管Peter Zoller接受《科學(xué)新聞》采訪時所說的：“科學(xué)的發(fā)展是基于對新的前沿進(jìn)行不斷的探索試驗(yàn)，并努力將其攻克征服。”
厲兵秣馬 迎難而上
知易行難，任何科學(xué)上的突破與創(chuàng)新都非一日之功。進(jìn)行空間大尺度量子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)更是如此。
中國量子科學(xué)家們首先要面對的便是建立地面和空間飛行平臺之間的遠(yuǎn)距離量子糾纏。為此，他們不斷進(jìn)行技術(shù)上的儲備，為量子實(shí)驗(yàn)科學(xué)衛(wèi)星的誕生夯實(shí)基礎(chǔ)。
2005年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。
在星地自由空間量子通信取得重大突破之后，2007年，中科院高瞻遠(yuǎn)矚，適時超常規(guī)啟動了兩個知識創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目——“遠(yuǎn)距離量子通信實(shí)驗(yàn)研究”和“空間尺度量子實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)與驗(yàn)證”。
在創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目的支持下，中國科大與中科院上海技術(shù)物理研究所、上海微小衛(wèi)星工程中心、中科院光電技術(shù)研究所等研究機(jī)構(gòu)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，圍繞開展空間量子實(shí)驗(yàn)的最終目標(biāo)進(jìn)行了一系列關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)與外場的試驗(yàn)驗(yàn)證。
謀定而動，行且堅毅。中國科學(xué)家們用實(shí)際行動書寫了一個個“傳奇”：16公里自由空間量子隱形傳態(tài)、百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗(yàn)證等重要實(shí)驗(yàn)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)，從而為星地量子通信打下了堅實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
2011年，中科院果斷決策啟動量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目，并將其納入空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)。在專項(xiàng)的支持下，一支精英隊(duì)伍很快集結(jié)：中國科大負(fù)責(zé)天地一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、量子通信有效載荷及地面站量子終端研制，上海技物所負(fù)責(zé)空間光跟蹤瞄準(zhǔn)及航天工程質(zhì)量管理，上海微小衛(wèi)星工程中心負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺研制，中科院國家天文臺和中科院光電技術(shù)研究所負(fù)責(zé)量子通信地面站建設(shè)。
“日本現(xiàn)在準(zhǔn)備做一個單方向的量子密鑰傳輸；加拿大也計劃做一個單方向的量子傳輸試驗(yàn)；歐洲在地面上已經(jīng)將量子糾纏分發(fā)做到了接近100公里。但是在空間的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)，我們國家還是第一個。”中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季在面對媒體時曾表示。
本來衛(wèi)星系統(tǒng)研制就是一個復(fù)雜的系統(tǒng)化工程，再加上目前國際上還沒有一個國家將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)送入空間，因此，做第一個吃螃蟹的人，需要勇氣，更需要智慧和魄力。
如今，量子科學(xué)家們沖云破霧，不負(fù)眾望，實(shí)現(xiàn)了一系列高精尖技術(shù)，包括星地光路對準(zhǔn)、偏振態(tài)保持與星地基矢校正、量子光源載荷等關(guān)鍵技術(shù)，用自主創(chuàng)新不斷讓夢想接近現(xiàn)實(shí)。
截至目前，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星已經(jīng)完成整機(jī)組裝，并完成載荷正樣產(chǎn)品、衛(wèi)星平臺正樣產(chǎn)品研制、整星電測和熱平衡等試驗(yàn)，正在上海微小衛(wèi)星工程中心進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)、磁測試等測試工作。
“整裝待發(fā)”的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星再次擄獲全世界的目光。
“量子互聯(lián)網(wǎng)”
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星整裝待發(fā)，全世界的物理學(xué)家們都熱切期待著將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)“搬上太空”。
“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目有著非常重大的意義，它將會把科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)：如果實(shí)驗(yàn)成功，它將有可能建立比經(jīng)典物理學(xué)更強(qiáng)有力的地面系統(tǒng)與空間系統(tǒng)鏈接。這將是一個非常激動人心的進(jìn)展。”美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授Vladan Vuletic告訴《科學(xué)新聞》。
“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星除了會進(jìn)行量子力學(xué)的遠(yuǎn)距離驗(yàn)證之外，還將會讓我們首度嘗試在非常遠(yuǎn)的距離之外進(jìn)行量子通信的原型測試。”波蘭格但斯克大學(xué)理論物理和天文物理研究所所長Marek Zukowski教授也向《科學(xué)新聞》表達(dá)了他對該項(xiàng)目的期待。
不過，更為令人期待的是量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射之后所勾勒出的未來。
全球量子通信網(wǎng)絡(luò)是量子通信的最終目標(biāo)，然而這一目標(biāo)僅靠量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星還無法完成。基于現(xiàn)在的技術(shù)水平，全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建必須分三步走：構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)、構(gòu)建城際量子通信網(wǎng)絡(luò)、構(gòu)建廣域量子通信網(wǎng)。
量子通信城域網(wǎng)建設(shè)在中國發(fā)展較早，到目前為止，已經(jīng)運(yùn)行的城域網(wǎng)絡(luò)包括蕪湖量子政務(wù)網(wǎng)、金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)、合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)、濟(jì)南量子保密通信試驗(yàn)網(wǎng)、工行北京分行量子通信加密網(wǎng)等。
隨著量子通信城域網(wǎng)絡(luò)在中國的迅速發(fā)展和逐步推廣，越來越多的城市擁有自己的量子通信專網(wǎng)，上海、杭州、廣州、深圳、烏魯木齊等城市也在加緊建設(shè)量子通信城域網(wǎng)。
展望量子通信的前景，潘建偉相信，未來將可以形成天地一體的全球化量子通信基礎(chǔ)設(shè)施，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建基于量子通信安全保障的未來互聯(lián)網(wǎng)，即“量子互聯(lián)網(wǎng)”。
而在諾貝爾物理學(xué)獎得主、美國科學(xué)院院士、伊利諾伊大學(xué)香檳分校物理學(xué)教授Anthony J. Leggett看來，此次量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上的實(shí)驗(yàn)如果能夠成功，“肯定會為最終的量子互聯(lián)網(wǎng)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)”。
通信安全是人類一直的夙愿。如今，量子通信系統(tǒng)的問世，重新燃起了人們對構(gòu)建“絕對安全”通信系統(tǒng)的希望。在量子物理的指引下，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射雖只是個開始，但通向絕對安全通信的量子互聯(lián)網(wǎng)或許不再遙遠(yuǎn)�！�