牛祿青

中國(guó)在量子通信領(lǐng)域研發(fā)起步早，技術(shù)積淀較深，目前已走在世界前列

近年來，網(wǎng)絡(luò)信息安全問題日益加劇了人們的憂慮和關(guān)注，傳統(tǒng)保密通信技術(shù)自身的安全性正面臨挑戰(zhàn)。量子通信作為能夠提供無條件安全性保證的高效信息安全解決方案受到世界各國(guó)政府、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。中國(guó)在量子通信領(lǐng)域研發(fā)起步早，技術(shù)積淀較深，目前已走在世界前列。

5月9日，中國(guó)科學(xué)院院士、中科大常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉出席“新未來人工智能論壇”時(shí)表示，量子通信衛(wèi)星將按照原定計(jì)劃在7月份發(fā)射。如果此次衛(wèi)星成功發(fā)射，中國(guó)將在全球首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，結(jié)合地面已有的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，將初步構(gòu)建廣域量子通信體系。

美國(guó)媒體認(rèn)為，中國(guó)的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（QUESS） 并不僅僅是一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)際上中國(guó)已經(jīng)成為了全球量子通信技術(shù)的領(lǐng)先者，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將成為把尖端科技轉(zhuǎn)化為中國(guó)在全球范圍內(nèi)戰(zhàn)略資產(chǎn)的基石。

據(jù)潘建偉介紹，2000公里量子保密通信“京滬干線”也將在今年年底建成。3月17日，我國(guó)“十三五”規(guī)劃綱要正式發(fā)布，“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”被列入國(guó)家科技創(chuàng)新2030重大科技項(xiàng)目，未來5年，我國(guó)將著力構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)。

量子通信是什么

作為與相對(duì)論并列的現(xiàn)代物理學(xué)基石，量子論是20世紀(jì)最偉大的理論之一，但其神奇之處也讓很多人“難以理解”?！傲孔邮澜缦聍蛔右粯与y以預(yù)測(cè)，迄今還沒有誰(shuí)敢說了解它，任何科學(xué)探險(xiǎn)都不如量子之旅驚險(xiǎn)和神奇。”中科院自然科學(xué)史研究所研究員董光璧說。

量子有很多奇妙的特性，比如在量子通信中起著重要作用的“量子糾纏”，曾被愛因斯坦等科學(xué)家稱作“幽靈般的超距離作用”。美國(guó)科學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者弗蘭克·維爾切克曾用《格林童話》中《兩兄弟》故事打比方：“量子糾纏”就像一對(duì)有“心靈感應(yīng)”的雙胞胎，長(zhǎng)得分不清彼此；他們也心靈相通，即便天各一方，弟弟有難，哥哥即刻得知。

目前，量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)都被稱為量子通信。量子密鑰分發(fā)可以建立安全的通信密碼，通過一次一密的加密方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式的安全經(jīng)典通信。

具體做法是用弱相干光源發(fā)射光子，因?yàn)槿跸喔晒庠慈醯揭欢ǔ潭?，光子是一個(gè)一個(gè)往外蹦的，以此代替單光子源。把一個(gè)信息編碼在一個(gè)光子上，一個(gè)光子有著不同的量子態(tài)，代表著0和1，把光子通過光纖發(fā)射過去，接收方接到密鑰后進(jìn)行解碼。

本質(zhì)上說，量子密鑰分發(fā)其實(shí)依舊依托于光纖通信，而單光子具有不可分割性是量子密碼安全性的物理基礎(chǔ)，因而量子密鑰分配并非顛覆經(jīng)典通信，更像是給經(jīng)典通信增加了一把量子密碼鎖。

現(xiàn)有的量子密鑰分發(fā)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下200公里以上的量子通信，再輔以光開關(guān)等技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。目前，開始產(chǎn)業(yè)化的是量子密鑰分配，而不是量子隱形傳態(tài)，比如北京到上海的量子通信干線、滬杭量子通信干線、陸家嘴量子通信金融網(wǎng)等都屬于量子密鑰分配。

量子態(tài)隱形傳輸是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測(cè)量（量子糾纏是指兩個(gè)量子態(tài)具有相干性或處于關(guān)聯(lián)狀態(tài)，量子糾纏態(tài)分發(fā)是指制備糾纏粒子對(duì)，將不同的粒子對(duì)發(fā)往不同的地方），在經(jīng)典通信的輔助下實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的空間轉(zhuǎn)移而又不移動(dòng)量子態(tài)的物理載體。

據(jù)潘建偉介紹，量子隱形傳態(tài)技術(shù)具備不可分割、不可克隆的特性，可以抵御竊聽密鑰的分發(fā)，確保通過其加密的內(nèi)容不可破譯。2015年，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的量子隱形傳態(tài)，成果被評(píng)為國(guó)際物理學(xué)十大突破之首。“如果我們帶著一個(gè)保險(xiǎn)箱去北京開會(huì)，而保險(xiǎn)箱的鑰匙落在合肥，合肥的同事可以通過量子隱形傳態(tài)將鑰匙每一個(gè)特征都精確傳送到北京，而在此過程中他并不掌握這把鑰匙的任何信息。這在經(jīng)典世界中是不可想象的?！迸私▊フf。由于在該領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，2016年1月，潘建偉團(tuán)隊(duì)的“多光子糾纏及干涉度量”獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

早在1997年，潘建偉團(tuán)隊(duì)就在世界上首次實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的傳輸，也正是他們的探索，促使量子科技更快地應(yīng)用于通信領(lǐng)域。在新中國(guó)成立60周年閱兵、紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的量子通信熱線均為信息傳送提供了重要安全保障。

目前，國(guó)內(nèi)主攻量子通信技術(shù)的有潘建偉院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)和郭光燦院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在研究量子通信方面呈現(xiàn)你追我趕的架勢(shì)。中國(guó)雖然在量子隱形傳態(tài)技術(shù)上走在世界的前列，但現(xiàn)在僅僅是技術(shù)突破，離產(chǎn)業(yè)化還比較遙遠(yuǎn)。而量子密鑰分發(fā)經(jīng)過近30年的發(fā)展，從理論協(xié)議到器件系統(tǒng)初步成熟，目前已有小規(guī)模的試點(diǎn)應(yīng)用和初步產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。以量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子保密通信成為未來保障網(wǎng)絡(luò)信息安全的一種非常有潛力的技術(shù)手段，是量子通信領(lǐng)域理論和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

應(yīng)用前景有多廣

作為保障未來信息社會(huì)通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，未來10年內(nèi)，量子保密通信有望走向大規(guī)模應(yīng)用，在電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療、國(guó)防軍事、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各領(lǐng)域大顯身手。

專家預(yù)言，隨著光量子通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，該技術(shù)將被大量應(yīng)用于武器裝備系統(tǒng)之中，使得戰(zhàn)場(chǎng)偵察探測(cè)、指揮控制、通信網(wǎng)絡(luò)、武器控制能力得到全面提升。目前，光量子通信研究已成為各軍事大國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性高科技，在軍事上有著燦爛前景。

除了國(guó)防軍事領(lǐng)域，商業(yè)應(yīng)用也用不了多久。潘建偉說，在不久的將來，量子通信就能進(jìn)入千家萬戶。希望通過十年左右的努力，將來每個(gè)人在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行的轉(zhuǎn)款、支付等消費(fèi)行為，都能夠享受到量子通信的安全保障。

當(dāng)然，這還需要其在產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)方面實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破。郭光燦認(rèn)為，量子通信極強(qiáng)的保密性是基于量子密鑰技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的，密鑰也是基于量子的特殊性而研發(fā)的，而其他通信方面的技術(shù)與傳統(tǒng)經(jīng)典通信差異不大。從目前的實(shí)際應(yīng)用來看，將量子通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有電子通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合是最優(yōu)的發(fā)展戰(zhàn)略。

而在構(gòu)建廣域乃至全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系方面，從各國(guó)戰(zhàn)略計(jì)劃看，無論是美國(guó)政、企、校聯(lián)合展開研制的量子互聯(lián)網(wǎng)，還是歐盟聯(lián)合12成員國(guó)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，亦或是日本計(jì)劃到2040年建成極限容量、無條件安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)，各國(guó)誓要搶占量子通信未來制高點(diǎn)的意圖已經(jīng)明朗。

按照計(jì)劃，2016 年，我國(guó)將先于歐美發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，2020 年實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)，2030 年建成全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)。

據(jù)量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總工程師兼衛(wèi)星總指揮、中科院上海技術(shù)物理所王建宇研究員介紹，量子衛(wèi)星將裝載我國(guó)自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備。它能產(chǎn)生并發(fā)送光子，地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)接收。這種“發(fā)球、接球”需要解決超高精度的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤難題，仿佛在空間尺度下、在穿越大氣層后“針尖對(duì)麥芒”。

城域、廣域，再到天地一體，是中國(guó)科學(xué)家的規(guī)劃目標(biāo)。業(yè)內(nèi)人士介紹，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上天后，可以實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信，連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國(guó)廣域量子通信體系；“京滬干線”是連接北京、上海的高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，中間還有合肥、濟(jì)南等重要節(jié)點(diǎn)。其中，2012年建成的合肥城域量子通信網(wǎng)，4 年來運(yùn)行良好，通信正確率達(dá)99.6%，超過目前的移動(dòng)通信水平。

量子通信應(yīng)用前景廣闊。2月24日，科技部部長(zhǎng)萬鋼在國(guó)新辦新聞發(fā)布會(huì)上表示，我國(guó)新的科技計(jì)劃體系將對(duì)面向未來的量子通信等方面基礎(chǔ)研究進(jìn)行重點(diǎn)支持。市場(chǎng)人士認(rèn)為，中國(guó)在量子通信技術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，未來一旦實(shí)現(xiàn)更多技術(shù)突破，其市場(chǎng)空間將非常廣闊。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播與科技政策系副教授褚建勛表示，中國(guó)政府正在加快打通科技與經(jīng)濟(jì)結(jié)合的通道，讓科技成果為社會(huì)服務(wù)，跟市場(chǎng)接軌，解放科技生產(chǎn)力，幫助解決社會(huì)問題?！霸诎孔油ㄐ旁趦?nèi)的先進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的過程中，中國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)將越來越清晰地呈現(xiàn)出來?！瘪医▌渍f。

產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用起步

量子密鑰分發(fā)保密通信的高安全性所蘊(yùn)含的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值備受各國(guó)政府、學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的重視，近年來試點(diǎn)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。

2003年，美國(guó)DARPA資助哈佛大學(xué)建立了世界首個(gè)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和量子保密通信組網(wǎng)應(yīng)用。此后，歐美日多國(guó)相繼建成了瑞士量子、東京QKD和維也納SECOQC等量子保密通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，演示和驗(yàn)證了城域組網(wǎng)、量子電話、選舉投票保密等方面的應(yīng)用。2013年，美國(guó)獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)Battelle公布了環(huán)美量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，計(jì)劃采用分段量子密鑰分發(fā)，結(jié)合安全授信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行密碼中繼的方式為谷歌、微軟、亞馬遜等互聯(lián)網(wǎng)巨頭的數(shù)據(jù)中心之間的通信提供量子安全保障服務(wù)。

國(guó)內(nèi)的量子保密通信試點(diǎn)應(yīng)用起步稍晚但發(fā)展迅速。2007年中科大在北京打通了國(guó)內(nèi)首個(gè)光纖量子電話，之后相繼在北京、濟(jì)南、安徽蕪湖與合肥等地建立了多個(gè)城域量子保密通信示范網(wǎng)、金融信息量子保密通信技術(shù)驗(yàn)證專線以及關(guān)鍵部門間的量子通信熱線。2014年，量子保密通信京滬干線項(xiàng)目通過評(píng)審并開始建設(shè)，計(jì)劃建成北京和上海之間，基于安全授信節(jié)點(diǎn)密碼中繼，距離超2000公里的國(guó)際首個(gè)長(zhǎng)距離光纖量子保密通信骨干線路。

量子通信的試點(diǎn)應(yīng)用催生了一批由科研機(jī)構(gòu)孵化的科技產(chǎn)業(yè)實(shí)體。其中具有代表性的包括美國(guó)MagiQ公司和瑞士IDQ公司等，能夠提供初步商用化的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)器件、終端設(shè)備和整體應(yīng)用解決方案。在國(guó)內(nèi)，中科大在量子通信產(chǎn)業(yè)化方面表現(xiàn)突出，其衍生與合作建立了安徽量子通信技術(shù)有限公司、安徽問天量子科技股份有限公司和山東量子科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，進(jìn)行量子保密通信前沿研究成果向應(yīng)用技術(shù)和商用化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，國(guó)家對(duì)于量子通信的專項(xiàng)投入和政策扶持為其快速發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。

由于安全高效的特性，量子通信在國(guó)防、保密、金融等領(lǐng)域有著巨大需求。興業(yè)證券分析師指出，以國(guó)防領(lǐng)域?yàn)槔?，量子通信可以?yīng)用于通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)，構(gòu)成作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機(jī)動(dòng)的安全通信網(wǎng)絡(luò)，能用于改進(jìn)光網(wǎng)信息傳輸保密性，由此提高信息保護(hù)和信息對(duì)抗能力，也能應(yīng)用于深海安全通信領(lǐng)域，為遠(yuǎn)洋深海安全通信開辟新途徑。

2015年10月，浙江神州量子網(wǎng)絡(luò)科技有限公司宣布投入1.7億元，建設(shè)“杭滬量子商用干線”。這是國(guó)內(nèi)首條量子通信商用干線，建成后可實(shí)現(xiàn)滬杭區(qū)域內(nèi)政府、企業(yè)、金融機(jī)構(gòu)等通信數(shù)據(jù)的加密傳輸。

在金融領(lǐng)域，工商銀行已成功應(yīng)用量子通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)其北京分行電子檔案信息在同城間的加密傳輸。這也是量子通信技術(shù)在國(guó)內(nèi)銀行業(yè)的首次成功應(yīng)用。工商銀行相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，為進(jìn)一步提升信息安全水平，工行聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)實(shí)施了“量子保密通信京滬干線技術(shù)驗(yàn)證及應(yīng)用示范項(xiàng)目”，同時(shí)開展北京、上海同城及京滬異地千公里級(jí)量子通信金融應(yīng)用落地工作。

阿里巴巴旗下阿里云與中科院旗下國(guó)盾量子于2015年10月聯(lián)合發(fā)布了量子加密通信產(chǎn)品。這也是量子安全通信產(chǎn)品首次落地公共云領(lǐng)域。中信證券分析師陳劍指出，這標(biāo)志著“云+量”作為基礎(chǔ)設(shè)置與服務(wù)開始面向更廣泛領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

作為通信技術(shù)的未來演進(jìn)方向，量子通信業(yè)終將進(jìn)入廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)等公網(wǎng)市場(chǎng)。據(jù)陳劍測(cè)算，預(yù)計(jì)2020年國(guó)內(nèi)量子通信市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)210億元。其中，專網(wǎng)市場(chǎng)105億元，公網(wǎng)75億元，其他領(lǐng)域30億元；預(yù)計(jì)2020年國(guó)內(nèi)量子通信設(shè)備領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模為30億元，建設(shè)運(yùn)維領(lǐng)域規(guī)模為30億元，運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)150億元。

誘人的市場(chǎng)前景吸引了眾多參與者，量子通信產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)正在逐漸形成。以三力士為例，公司擬出資6000萬元，設(shè)立山西三力士量子通信網(wǎng)絡(luò)有限公司，推動(dòng)量子保密通信網(wǎng)、云計(jì)算等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的落地和產(chǎn)業(yè)化。

2015年7月，中國(guó)科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室宣布成立。該實(shí)驗(yàn)室結(jié)合阿里巴巴在計(jì)算算法、架構(gòu)和云計(jì)算方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及中科院在量子計(jì)算和模擬、量子人工智能等方面的優(yōu)勢(shì)，探索下一代超快計(jì)算技術(shù)。

此外，中科院牽頭，聯(lián)合中科大、科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司、阿里巴巴（中國(guó)）有限公司、中國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)有限公司、中興通訊股份有限公司、北方信息技術(shù)研究所等單位發(fā)起成立了中國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

陳劍指出，量子通信產(chǎn)業(yè)鏈主要包括元器件、設(shè)備、建設(shè)運(yùn)維、運(yùn)營(yíng)應(yīng)用四個(gè)環(huán)節(jié)。其中，元器件方面大部分與傳統(tǒng)通信所使用的沒有太大的差異。但核心器件，如單光子探測(cè)器仍主要依賴進(jìn)口，近距離設(shè)備國(guó)產(chǎn)可大致代替進(jìn)口，而長(zhǎng)距離設(shè)備需要一年或更長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。

中游核心設(shè)備包括量子網(wǎng)關(guān)和量子交換機(jī)，國(guó)內(nèi)的科大國(guó)盾掌握了部分核心技術(shù)；問天量子等機(jī)構(gòu)也在參與其中，研發(fā)量子通信核心設(shè)備，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

隨著更多城際干線啟動(dòng)，將引入更多商業(yè)化運(yùn)作，帶動(dòng)量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)需求。這需要在現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)中添加相關(guān)設(shè)備，開辟單獨(dú)的通道以確保信號(hào)穩(wěn)定性等。這些工作通常由網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和系統(tǒng)集成商承擔(dān)。

陳劍認(rèn)為，隨著以量子加密為代表的量子通信技術(shù)日趨成熟，行業(yè)將進(jìn)入高速發(fā)展期，從發(fā)展進(jìn)程、技術(shù)門檻以及未來潛力等角度看，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)應(yīng)用與核心設(shè)備最具投資價(jià)值。