2015年12月，世界頂級(jí)物理雜志、英國(guó)物理學(xué)會(huì)下屬的《物理世界》公布了2015年度國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域的10項(xiàng)重大突破，潘建偉、陸朝陽(yáng)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(guó)家科技獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)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(tuán)隊(duì)，又摘得了我國(guó)自然科學(xué)領(lǐng)域最高獎(jiǎng)項(xiàng)——自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
接連傳出的重磅消息，不僅震動(dòng)了全球量子物理領(lǐng)域，更讓“中國(guó)量子通信”正式走進(jìn)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(guó)從10年前不起眼的國(guó)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(guó)《自然》雜志在報(bào)道潘建偉團(tuán)隊(duì)量子通信研究成果的新聞特稿“量子太空競(jìng)賽”一文中，對(duì)中國(guó)量子領(lǐng)域的崛起表達(dá)的贊美之詞。
事實(shí)上，自“量子通信”概念提出開(kāi)始，西方各主要發(fā)達(dá)國(guó)家都將量子通信的研發(fā)和應(yīng)用列為優(yōu)先級(jí)戰(zhàn)略。
IBM公布在未來(lái)的5年內(nèi)投資30億美元用于未來(lái)芯片的發(fā)展研究，其中主要內(nèi)容就包括超導(dǎo)量子芯片；歐洲的“地平線2020”計(jì)劃宣布每年用1000萬(wàn)歐元做量子信息的協(xié)同研究；美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）正計(jì)劃在總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之間，建一條600公里左右的量子光纖通信干線……
1984年，美國(guó)IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Brassard共同提出了第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，即著名的BB84方案，標(biāo)志著量子通信領(lǐng)域的誕生。1992年，Bennett又提出了簡(jiǎn)化的BB84方案（稱為B92方案），并和Bessette合作第一次從實(shí)驗(yàn)上原理性演示了量子密鑰分發(fā)。1995年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所吳令安小組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了我國(guó)最早的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。2000年，該小組又與中國(guó)科學(xué)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(shí)驗(yàn)。2002年至2003年間，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Gisin小組和我國(guó)華東師范大學(xué)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(guó)科學(xué)院院士郭光燦小組在北京和天津之間也實(shí)現(xiàn)了125公里光纖的量子密鑰分發(fā)演示性實(shí)驗(yàn)。
在量子通信的國(guó)際賽跑中，盡管中國(guó)屬于后來(lái)者，但是無(wú)論從基礎(chǔ)理論研究還是應(yīng)用研究方面一點(diǎn)也不遜色。基礎(chǔ)扎實(shí)，勢(shì)頭強(qiáng)勁的中國(guó)量子通信博得了世界各國(guó)的尊重。
2005年，國(guó)際上已經(jīng)有三個(gè)實(shí)驗(yàn)小組聲稱可以將通信距離達(dá)到100公里以上。
然而隨著理論研究的深入，科學(xué)家們逐漸認(rèn)識(shí)到：由于當(dāng)時(shí)普遍使用弱相干光源模擬理論方案中的單光子源，因此當(dāng)時(shí)所有的量子通信實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是存在安全隱患的，使得當(dāng)時(shí)的安全通信距離只有10公里量級(jí)，并不具有實(shí)用價(jià)值。
就在這一年，華人科學(xué)家王向斌、羅開(kāi)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(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室—美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組和奧地利科學(xué)院Anton Zeilinger教授領(lǐng)導(dǎo)的歐洲聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室也使用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過(guò)100公里的量子密鑰分發(fā)。
這三個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)表在國(guó)際著名物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，真正打開(kāi)了量子通信技術(shù)應(yīng)用的大門，量子通信得以從實(shí)驗(yàn)室演示開(kāi)始走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化。
作為中國(guó)量子通信發(fā)展的中堅(jiān)力量，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子通信團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)30余年的建設(shè)，創(chuàng)造了國(guó)際量子通信領(lǐng)域的一個(gè)又一個(gè)“傳奇”。
2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上第一次實(shí)現(xiàn)13公里自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了星—地量子通信的可行性。
2009年，潘建偉團(tuán)隊(duì)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)的研究人員實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際上距離最遠(yuǎn)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(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)……
今年對(duì)于量子通信而言，是具有里程碑意義的一年：由中國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(kāi)通，“天地一體化”的量子通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)初步形成……
捷報(bào)頻傳的中國(guó)量子通信，讓中國(guó)乃至世界科學(xué)界為之振奮。如今，量子通信已經(jīng)成為中國(guó)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(shí)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(jì)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(shí)，他人可通過(guò)竊聽(tīng)器，從通信線路中的信號(hào)中分出一些，使其進(jìn)入另一根線路。竊聽(tīng)時(shí)，0和1這兩種信號(hào)不會(huì)被擾動(dòng)，所以通話者無(wú)法察覺(jué)。去年《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道的美國(guó)國(guó)家安全局監(jiān)聽(tīng)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(gè)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(wú)法被精確復(fù)制，任何竊聽(tīng)行為都會(huì)對(duì)其造成擾動(dòng)，從而被通信雙方察覺(jué)并規(guī)避。
通過(guò)量子態(tài)傳輸，通信雙方協(xié)商生成量子密鑰，再加上對(duì)信息進(jìn)行“一次一密”的加密保護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)信息在傳輸中的完全隨機(jī)、不可破譯，從根本上解決通信安全問(wèn)題。
“從理論上來(lái)說(shuō)，量子通信是絕對(duì)安全的。”潘建偉曾表示。
回到國(guó)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(duì)落后的地位，無(wú)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(guó)都還有相當(dāng)一部分產(chǎn)品和技術(shù)依賴國(guó)外。
在當(dāng)今信息全球化的大背景下，保障國(guó)家信息安全，唯有求助于量子通信這一“終極武器”。
2004年以來(lái)，在對(duì)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(guó)先后實(shí)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(jì)錄。這種對(duì)核心資源的處理能力，讓我國(guó)在量子通信實(shí)際應(yīng)用方面走得更快。
早在2008年，我國(guó)就建成了光量子電話網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話。世界上規(guī)模最大的46節(jié)點(diǎn)的量子通信試驗(yàn)網(wǎng)，則于2012年在安徽省合肥市建成投用，通信準(zhǔn)確率達(dá)到了99.6%，這標(biāo)志著我國(guó)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(guò)多年的努力，在量子通信城域網(wǎng)方面，中國(guó)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(jì)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(gè)開(kāi)始。
要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這是因?yàn)楣庾訕O易被信道吸收，造成信號(hào)隨通信距離指數(shù)衰減、誤碼率提高，進(jìn)而導(dǎo)致通信失敗，使得光纖量子通信很難突破百公里量級(jí)傳輸距離的限制。
在當(dāng)今世界全球化進(jìn)程日益加快的背景下，短距離的量子保密通信顯然無(wú)法滿足國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等各方面的要求。構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對(duì)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(biāo)。
迎難而上，雷厲風(fēng)行。中國(guó)量子科學(xué)家們已開(kāi)始積極行動(dòng)。
“編織”全球化廣域量子通信網(wǎng)
2013年7月17日，習(xí)近平總書(shū)記在視察中國(guó)科學(xué)院時(shí)發(fā)表的重要講話中指出：“量子通信已經(jīng)開(kāi)始走向?qū)嵱没�，這將從根本上解決通信安全問(wèn)題，同時(shí)將形成新興通信產(chǎn)業(yè)。”
總書(shū)記的希冀，為中國(guó)量子通信指明了前進(jìn)的道路。中國(guó)科學(xué)家集思廣益，繪制了一副全球化廣域量子通信網(wǎng)：中國(guó)計(jì)劃在2030年建成全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)。
為此，2011年，啟動(dòng)了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的研制，2013年啟動(dòng)了光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”項(xiàng)目。
作為中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)的一部分，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完全是由中國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)。據(jù)潘建偉介紹，研制過(guò)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(tái)正樣產(chǎn)品研制、整星電測(cè)和熱平衡試驗(yàn)，正在開(kāi)展發(fā)射星集成測(cè)試、EMC測(cè)試、力學(xué)試驗(yàn)、磁測(cè)試等工作。
在科學(xué)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(yàn)收測(cè)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(duì)接實(shí)驗(yàn)，阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)艙驗(yàn)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(xué)應(yīng)用系統(tǒng)將在首席科學(xué)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(jì)壽命中完成四大任務(wù)：星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)和地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。
如果量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功運(yùn)行，中國(guó)將在世界上首次實(shí)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(gè)廣域量子通信體系。
不僅如此，中科院半導(dǎo)體研究所研究員牛智川告訴《科學(xué)新聞》：“如果量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功運(yùn)行，對(duì)深入理解量子科學(xué)并推動(dòng)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(yàn)糾纏光子對(duì)的遠(yuǎn)距離傳輸特性，檢驗(yàn)其經(jīng)過(guò)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(yàn)量子理論在大尺度空間的適用性，探索檢驗(yàn)廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的統(tǒng)一這一終極物理學(xué)問(wèn)題，還可以探索量子引力理論對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)的預(yù)言等物理學(xué)前沿問(wèn)題。
與此同時(shí)，將于今年底建成的“京滬干線”全長(zhǎng)2000多公里，將連接北京、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)，建成大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺(tái)，推動(dòng)量子通信技術(shù)在國(guó)防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的應(yīng)用，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
在潘建偉看來(lái)，如果說(shuō)“京滬干線”像連接地面每個(gè)城市、每個(gè)信息傳輸點(diǎn)的“網(wǎng)”，那么量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標(biāo)槍”。當(dāng)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(lái)去如影，并且“無(wú)條件”安全。
量子通信在中國(guó)的發(fā)展一直有著明確的路線：通過(guò)量子通信研究，從初步實(shí)現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實(shí)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(duì)安全；通過(guò)量子計(jì)算研究，為大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時(shí)代信息的有效挖掘；通過(guò)量子精密測(cè)量研究，實(shí)現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航……■