量子通信，离我们还有多远

　　量子通信以其绝对安全性、超大信道容量、超高通信速率、可远距离传输信息和高效等特点，得到全球科技界、产业界普遍重视，主要国家争相将量子通信研究作为战略项目。量子通信已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。继微电子信息之后，量子通信极有可能引发军事、经济、社会领域又一次重大革命

　　利用量子纠缠效应进行信息传递

　　早在20世纪上半叶，科技界和产业界就期待找到一种新的通信方式——既不通过载体，也不受通信双方空间距离的限制，不存在任何传输延时。随着世界电子信息技术加快发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，量子通信的重要性日益凸显。

　　微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们离多远，只要一个粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变化。也就是说，两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远，都能“感应”对方状态。利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式，就是量子通信。

　　量子理论认为，微观领域里，某些物质可以同时处于多个可能状态的叠加态，只有在被观测或测量时，才会随机地呈现出某种确定的状态。因此，对物质的测量意味着干涉，改变被测量物质的状态。基于这一原理，科学家们提出量子密码的概念，也就是用具有量子态的物质作为密码。这样一来，任何截获或测试量子密码的操作，都会改变量子状态。换言之，截获量子密码的人得到的只是无意义的信息，而信息的合法接收者也可以从量子态的改变中知道量子密码曾被截取过。量子密码被应用于量子通信系统中，便是所谓的“量子保密通信”。

　　光量子电话网和平常打电话一样，却不用担心被窃听。因为量子通信“一次一密”：两人通话期间，密码机每分每秒都在产生密码，一旦通话结束，这串密码就会立即失效，下一次通话绝对不会重复使用。

　　如何实现高速高效的量子通信，增强保真性，提升量子通信品质，是目前的前沿攻关领域。量子通信既可民用也可军用，可用于金融机构的隐匿通信等工程，也可用于对电网、煤气管网、自来水网等重要能源供给和民生网络基础设施的监视和通信保障。总之，量子通信同国民经济健康有序发展相关的部门或行业都联系直接、紧密。如果同卫星装置统一匹配，其应用领域还会更广、更多、更深。

　　中国涉足量子通信研究的时间与西方国家相当。1997年，中国科学家潘建伟即参加了在奥地利进行的“量子态的隐形传输”试验，该试验堪称国际上首次实现，对量子通信至关重要。其研究论文在世界权威刊物一经发表，便很快被公认为是量子信息实验领域的开山之作。过去10余年中，潘建伟研究团队对量子通信领域的开创性探索贡献突出：一是在2004年、2007年和2012年曾先后分别实现了五光子纠缠态、六光子纠缠态、八光子纠缠态的制备与操纵，都居于世界第一位次，连续刷新了世界纪录，同欧美国家近一两年才实现的五光子、六光子制备拉开了很长一段距离。二是很好地完成了长程量子通信中紧需的“量子中继器”的实验与制作，为向未来广域量子通信网络直至全球网络的最终实现迈出了最重要步骤。三是对远距离量子通信与空间尺度量子实验关键技术的验证，接连实现了一个又一个长距离量级的自由空间量子隐形传态和双向纠缠分发，为基于卫星的广域量子通信以及大尺度量子计算、量子信息技术应用与实施奠定了坚实底基。

　　合肥城域量子通信试验示范网于2010年年中启动建设，一年多后建成。试运行证明，各项功能、指标均达到了设计预定要求。该项目已于2012年年初正式有计划、分步骤地投入了工程应用。合肥量子通信网的建成使用，标志着我国继量子信息基础研究跻身全球一流水平后，又在量子信息技术先期产业化竞争中迈出了重要的一步。除在中部安徽建立量子通信合肥及芜湖城域网外，我国还在济南这座东部城市实施了量子通信网的建设。安徽是全国首先将量子通信技术投向产业化的省份，皖鲁两地亦会表现出各有特色、彼此分工联动态势。其推出的量子通信类核心产品业已通过中试、形成系列产品，正在逐步推向市场。

　　按照我国量子通信研发、推广预定计划，北京、上海以及最边远的新疆乌鲁木齐等城市也在陆续抓紧城域量子通信网的建设。这几处城域网的建成，以及同合肥、济南城域网的呼应与配合，将初步形成面向全国架构的局面。再经几年过渡，越来越多的城市都将会利用量子卫星等方式加强信息连接，形成我国的广域量子通信体系。中国科学院同中国科技大学联合，已准备在2015年或2016年发射世界首颗“量子通信实验卫星”。此项方案一旦落实，将无疑是惊动国际科技界和产业界的一桩大事件。

　　最先列入国家战略，实现系列突破

　　美国对量子通信的理论和实验研究开始较早，并最先被列入到国家战略、国防和安全的研发计划。

　　1999年，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室量子信息研究团体就实现了500米的自由空间传输。2003年，美国国防部高级研究计划署又领衔建设了DARPA量子通信技术试验网络。2004年，美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行了世界上第一个量子密码通信网络，网络传输距离约为10公里。2006年，洛斯·阿拉莫斯国家实验室进一步实现了诱骗态（量子通信中的“诱骗态”，是指为了实现量子通信过程的绝对安全性等性能目标，凭借量子密钥分发而对各种有益或无益信息进行有引导处理，并使之处于“无条件安全”状态的特殊物理技术及方式）方案，并实现了超过100公里的量子保密通信实验。2007年，美国科学家让两个独立原子实现了量子纠缠和远距离量子通信。2009年，美国DARPA曾建成城域量子通信演示网。同一年，美国麻省理工学院科学家继续在冷原子中量子存储和波动研究领域有了新的突破，该方面技术是设计量子信息网络的关键。美国2010年在量子源产出的单光子波长转换、2011年在单量子位处理量子信息，以及2012年法国和美国在验证传输光的原子和粒子之量子行为关系等方面，成果都意义卓著。

　　上世纪末，美国政府便将量子信息列为“保持国家竞争力”计划的重点支持课题，隶属于政府的美国国家标准与技术研究所更将量子信息作为三个重点研究方向之一。美国加州理工大学、麻省理工学院和南加州大学联合成立了量子信息与计算研究所，直接归美国军队研究部门管辖。2009年，美国政府发布的信息科学白皮书，明确要求各科研机构协调开展量子信息技术研究。同年，美国相关机构不仅及时地建成了城域量子通信演示网，还取得了量子存储和波动研究的新突破。2011年，美国国家标准与技术研究所的科学家更是获得了单量子位处理量子信息的最新系列成果。

　　计划2030年前建成高速量子通信网

　　日本政府和科技界一贯重视量子科技新领域的研发与攻关。数年前，日本就提出了以新一代量子通信技术为对象的长期研究战略，并计划在2020—2030年间建成绝对安全保密的高速量子通信网，从而实现通信技术应用上的质的飞跃。为此，日本邮政省还特地把量子通信作为21世纪全国战略项目，并专门制订了跨度为10年的中长期定向研究目标。2000年以来，日本的一些著名大公司和高校，始终在坚持不懈地研发量子通信的高端技术与系统，即使是难度较大的量子密钥生成攻关，亦进展显著。

　　美国和欧盟在量子通信领域的一连串突飞猛进，使日本备感形势紧迫。早在2000年，日本邮政省就将量子通信技术作为一项国家级高技术列入开发计划，主要致力于研究光量子密码及光量子信息传输技术。2002年，日本NTT公司曾研发出了差动移相量子密码发送协议，并应用到试运行网络上。2004年，日本研究人员用防盗量子密码技术传送信息获得成功，传递距离可达87公里。2005年，日本电气公司开发出了一种即使气温与光纤长度等通信环境发生异常变化，其性能也不会降低的量子加密通信系统。同一年，日本松下电器产业和日本玉川大学利用光的量子扰动现象，试制出了一套防窃听性能更高的光通信系统，传输距离为20公里。2007年，日本一研究团体开发的量子密钥技术，在现实条件下实现了信息经光纤的安全传输。2008年，日本东芝公司研究人员在量子密码通信中，将密钥的传输速度成功提高，使其更实用化。2009年，日本日立公司和东京大学科学家又共同开发出了可利用下一代高速大容量光通信的“相位调制技术”。2010年，日本一家信息通信研究机构的量子ICT集团，受托与多家电气、电机、电信电话公司合作，在超高速宽带网络上采用量子密码技术，已开发出了不能窃密的多点电视会议系统，并开始投入试运行。2011年，日本上述研究机构的同一集团将量子密码技术应用于电视会议系统，充分实现了世界上最快的密钥生成速度。

　　欧盟推出了用于发展量子信息技术的“欧洲量子科学技术”计划以及《欧洲量子信息处理与通信》计划，并专门成立了包括英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理学研究网，这是继欧洲核子中心和航天技术采取国际合作之后，又一针对重大科技问题的大规模国际合作。根据该方面重要而突出的联合攻关任务，1993至2011年期间，英国、瑞士、奥地利、德国、法国、瑞典诸国的科学家曾连续创造了量子密钥分发、量子密码通信、太空绝密传输量子信息及量子信息存储等一系列根本性突破。以上种种成功推动，很大程度又是在为下一步量子互联网的全面建设铺平道路。

　　英国从事量子通信的理论与实验研究，同美国时间相差不远。还在1993年，英国国防研究部在光纤中就实现了相位编码量子密钥分发，光纤传输长度为10公里。1995年，瑞士日内瓦大学一对三的网络量子密码通信演示实验取得成功。同一年，日内瓦大学通过在日内瓦湖底铺设的23公里民用光通信光缆进行了实地表演。也在那年，英国又成功实现了30公里长光纤传输中的量子密钥分发。1997年，日内瓦大学利用法拉第镜，使得传输系统的稳定性和使用的方便性大为提高，被称为“即插即用”的量子密码方案。1999年，瑞典与日本合作，在光纤中成功地进行了40公里的量子密码通信实验。2002年，德国慕尼黑大学与英国军方又在德奥边境山峰用激光成功传输了光子密钥。2006年，欧洲慕尼黑大学—维也纳大学联合研究团队既成功地实现了诱骗态方案，同时又实现了超过100公里的量子保密通信实验。2007年，由奥地利、英国、德国等多国科学家合作，在量子通信中圆满实现了通信距离达144公里的最远纪录。2008年，意大利和奥地利科学家研究团队首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子，实现了太空绝密传输量子信息的重大突破，为将量子通信用于全球通信做好了准备。