量子通信：学术研究引领产业发展

文｜本刊记者 矫 枫

量子通信：学术研究引领产业发展

文｜本刊记者 矫 枫

在全球量子信息技术竞赛中，中国起步并非最早，但是起点高，进展快，在应用领域的多个方面已经达到世界先进水平。

在中国科学院上海微小卫星工程中心，量子科学实验卫星副总设计师周依林（左三）与工作人员在量子卫星旁忙碌

量子信息技术是当今国际前沿科学，包括量子通信、量子计算、量子精密测量3个子领域。近年来，量子信息已经成为大国竞逐的科技和产业制高点之一，美国、欧盟、日本等发达国家和地区纷纷制定了本国或本地区的量子信息技术发展战略和路线图。

在全球量子信息技术竞赛中，中国起步并非最早，但是起点高，进展快，在应用领域的多个方面已经达到世界先进水平。从首次成功实现量子态隐形传送以及纠缠态交换，首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，到建成国际上首个规模化量子通信网络，中国科学家逐步跻身于国际一流的量子信息研究行列。特别是在城域量子通信技术方面，基于量子密钥分发的量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化，在城市里，通过光纤建构的城域量子网络通信已经开始实际应用，中国量子通信方面处于国际领先的地位。

2016年，量子通信产业化元年

科学家们发现，在微观世界里，有共同来源的两个量子之间存在着“纠缠”关系，无论两者相距多远，只要其中一个量子状态发生变化，另一个量子就会立即“感应”，并做出相应变化。量子通信就是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。

量子通信具有高效率和绝对安全的特点：一旦信息在传输过程中被劫持，发送方和接收方就会立刻知道，而信息劫持者也不能得到信息全貌，从而确保了信息的绝对安全。正是因为量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，其在国家安全、金融信息等安全领域有着重大的应用价值和前景。

2016年是中国量子信息产业化发展的重要节点，中国在量子通信产业化方面不断突破，已经初步形成从量子通信核心器件生产，到量子通信设备制造，再到中下游的量子通信传输网络建设和量子通信网络运营与应用的产业链。可以说，2016年称得上是中国量子产业化元年。

2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射成功，中国成为全球第一个在卫星和地面之间进行量子通信实验的国家。10月18日，全长260公里的全球第一条量子通信商用干线“沪杭干线”（浙江段）宣布开通，一些政府部门和地方银行机构已经投入使用。之后不久，途经北京至上海多个城市，主要承载重要信息保密传输的的量子通信保密干线“京沪干线”也全线贯通，已有国有商业银行开始使用京沪干线传递备份。这些项目的相继开通，标志着量子技术已经从实验室开始走向市场，也表明中国的量子应用领域正走在世界的前端。

科学源自最初的好奇

其实，从量子概念诞生的那天起就伴随着争论，直到今天，学界的争论还未平息。但这些争论丝毫也不影响量子世界向人类所展现的无穷科学魅力。近年来，中国科学界的一批科学家坚信量子世界的奇异性，长期致力于量子纠缠、量子通信、量子加密、量子计算的理论与实践探索，取得了世所公认的成果。

中国科学院院士、量子科学实验卫星首席科学家潘建伟在大学时期就开始对量子叠加态问题产生了浓厚的兴趣。他告诉媒体，当时怎么也想不明白怎么会有量子叠加态呢？这个问题纠缠着他，甚至无法好好听别的课。就是从那个时候起，为了搞明白量子叠加态的问题，潘建伟开始学习量子力学。1999年，潘建伟在导师的领导下，和实验室的同事们完成了国际首次实现光子的量子隐形传态的实验，并将实验成果发表在《自然》杂志上，被认为是量子信息实验领域的开山之作。那年潘建伟29岁。

2001年，回国后的潘建伟负责组建了量子物理和量子信息实验室，使国内几乎“零基础”的量子信息实验研究得以快速起步，在短短的几年内，便在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子隐形传态。他说：“过去，我们在科研领域常常扮演追随者和模仿者的角色，研究方向的选定、科研项目的设立都先要看看国际上有没有人做过。量子信息是一个全新的学科，我们必须学会和习惯做领跑者和引领者。”

潘建伟的团队被人叫作“梦之队”，成员都是中国最顶尖的物理学家。团队每年都有重大进展。2004年，利用五光子纠缠，团队首次实现了终端开放的、多接收用户的量子隐形传态；2006年，利用六光子纠缠，团队首次实现了两粒子复合系统的量子隐形传态；2015年首次实现了多个自由度的量子隐形传态，2016年底更是首次成功实现了十光子纠缠。

与此同时，团队于2007年在国际上首次实现了安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，2008年实现了国际上首个全通型量子通信网络。2010年，世界首个量子政务网在芜湖试运行，2012年建成首个规模化量子通信网络。2016年发射首颗量子实验通信卫星，并实现京沪广域量子保密通信。

构建天地一体化连通

量子通信的产业化也在中国科学家的全力推动下得到快速发展。

芜湖、济南、合肥、杭州、武汉等多个城市建设完成了规模化量子通信城域网，一些政府部门、金融机构率先尝试到量子加密通信，实现语音电话、传真文本通信和文件传输等量子保密传输业务。而已经开通的“京沪干线”将连接各地城域接入网络，打造广域光纤量子通信网络，建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台。

一些大型商业银行和电信企业，不仅参与到量子通信产业项目，而且还享受到量子通信带来的安全性。如中国工商银行不仅成功应用量子通信技术实现了工行北京分行电子档案信息在同城间的加密传输，还实现了上海数据中心处理的业务，通过量子通信通道传输到北京数据中心做异地备份。

量子通信和量子科技的巨大潜能还吸引了众多资本，成为2016年最吸金的行业之一。“京沪干线”的承建商，浙江九州量子信息技术股份有限公司已于2016年6月正式挂牌新三板，成为中国资本市场的“量子通信第一股”。

已经正式交付使用的“墨子号”量子科学实验卫星，将实现高速星地量子密钥分发、星地量子纠缠分发和千公里级的空地量子隐形传输，在未来两年的在轨运行里，将会配合五个地面台站，在太空与地面之间开展远距离量子通信的实验研究。墨子是中国古代著名的哲学家、科学家、军事家和教育家，他是第一个通过小孔成像实验证明光是沿着直线传播的，并且提出粒子概念和牛顿惯性定律的雏形。“我们想用名字提醒大家，中国人也可以做很好的科学。从前有、现在有，将来会有更多。”潘建伟告诉记者。

未来，一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，将与地面量子通信干线“携手”，支撑起“天地一体”的量子通信网，最终建立覆盖全国甚至全球的广域量子保密通讯网络，让量子通信能够走进千家万户。

“届时，每个人的家里、手机上或许都会有一个量子加密芯片，银行转款、电子账户等涉密操作，都不用担心被盗用或者被攻击。”潘建伟对此满怀信心。