量子科技解读系列之一： 量子通信：距离我们最近的量子技术

薛山

关注力度空前，量子科技走上快车道

据新华社10月17 日报道，中共中央政治局在10月16日就“量子科技研究和应用前景”举行了第二十四次集体学习。这是量子科技第一次在公开层面进入到我国最高决策层的集体关注视野中。习近平在主持学习时发表了讲话指出，近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。安排这次集体学习，目的是了解世界量子科技发展态势，分析我国量子科技发展形势，更好推进我国量子科技发展。

在十九大后，中央政治局已经多次就前沿技术的相关问题进行了集体学习：2017年12月8日的第二次集体学习，主题是“实施国家大数据战略”;2018年10月31日的第九次集体学习，主题是“人工智能发展现状和趋势”;2019年10月24日的第十八次集体学习，主题是“区块链技术发展现状和趋势”……可明显看到，这些集体学习的目的基本上都围绕前沿科技和核心技术展开布局。

事实上在2016 年发布的《国家“十三五”规划纲要》支持战略性新兴产业发展中，就明确将量子通信作为重要发展方向;2017年，国家发展改革委组织实施了量子保密通信 “京沪干线” 技术验证及应用示范项目;2019 年底，国家信息中心、国科量子、国家数据通信工程技术研究中心联合组建了电子政务量子安全工程实验室……可见国家对量子科技的重视由来已久，走上高速发展的道路也是必然。

从国际角度来说，美国、欧盟、德国都在两年前公布了各自的量子科技发展规划，日本也在半个月之前启动了量子人才培养项目，可见全世界基本上都已意识到了量子科技对新一轮科技产业发展的重要性。

那么对于广大老百姓来说，“量子”的概念或许并不陌生，但它究竟是什么，或许很难三言两语说得清楚，因为它本身就需要相对较高的理论知识基础才能理解，这也是我们推出“量子科技解读”系列文章的目的：我们将在未来几期的内容中由浅入深地为大家讲解量子科技基于什么物理原理、它能干什么、前景如何等等问题。那么，今天的第一期，我们就先从大家可能最关心的问题入手：距离我们最近的量子科技是什么？

量子通信最大的优点就是绝对安全

“你变我也变”，量子通信要从量子纠缠说起

长距离量子密钥加密成为现实

量子技术是基于量子力学原理，结合工程学中的控制论、计算机科学、电子学方法等来实现对量子系统有效控制。而目前来看，最快落地的项目就是量子通信，它利用量子态实现信息的编码、传输、处理和解码，特别是利用单光子态和纠缠态实现量子密钥的分配，它背后的原理简单来说，就是两个相互纠缠的电子，即便物理距离非常远也能保持纠缠状态，只要你观测到了其中一个电子的状态，另一个电子也会瞬间产生相同的改变，利用这一性质，量子通信便可以将一个粒子的未知量子态传送到遥远的地点，而不用传送这个粒子本身，可以用来在遥远两地的用户间产生密钥。长期来看，量子通信产业应用场景十分广泛，包括网络信息安全、量子通信干线、量子城域网、金融、国防等方面，整体市场规模有望超过千亿元。

相对目前的通信方式来说，量子通信最大的优点就是保密性强，因为当出现信息截获的情况时，量子态就会发生变化，这种变化会被立即发现，而且如果截获者不知道密钥也无法获得所截获的信息内容，所以，量子信息不可分割、不可复制的特性决定了它是保障信息安全的“双保险”。

京沪干网与墨子号，千公里级量子加密成现实

下期将为大家解读打破传统0，1数字结构的量子计算技术，图为IBM 5bit量子处理器芯片

在实践中，由于实验条件的种种不完美，安全传输的距离是有限的，在很长时间内，安全传输距离只有10公里的量级，彼时的学术界曾经认为量子通信基本已经到头了，没有太大前途。然而，2003至2005年期间，韩国和中国科学家提出了诱骗态协议，使得安全传输距离可以提高到百公里的量级。从此之后，量子密码术蓬勃发展，而中国获得了领先地位，大部分的新纪录都是中国科学技术大学的研究团队创造的。然而几百公里的范围对于城市内部的通信来说是够用了，合肥、芜湖、北京、上海、济南等地都建设了实验性的量子政務网。但城际、国际之间的通信还完全不够，所以，2017年9月中国开通的全球首条量子保密通信干线——京沪干线就采用了通过32个中继节点“接力”转发的方式，实现了连接北京、上海，贯穿济南和合肥全长2000余公里的量子通信骨干网络。

但中继节点的存在也有一个安全隐患：中继节点的安全必须依靠人来保障，如果节点被劫持就会存在密钥泄露的风险。为了解决这个问题，于2016年8月16日升空的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”就承担了这样的一项重要任务：不依赖可信中继——让卫星作为纠缠源，只负责分发纠缠而不掌握任何密钥信息，只要用户间能检测到纠缠，就可以产生安全的密钥。

在这次实验中，研究人员在相隔1120公里的新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站设置了两个地面站。每个站点都有专门为量子实验设计的直径为1.2米的地面望远镜。为了提高量子密码链路的效率，研究人员对地面接收光路和单光子探测器进行了改进，成功使链路收集效率提高了4倍。如此一来，不仅将量子密钥分发的地面安全距离提高了一个数量级，还使其安全性达到了前所未有的水平，哪怕卫星被别人控制了，密码也是安全的。

编辑观点

从2015年开始，量子科技就已经成为国内重点支持的产业方向，量子通信更是频繁出现在“十三五”规划中，当前组织集体学习量子科技并发表重要讲话无疑也提升了“十四五”规划将加码量子科技的预期。在政策的推动下，国内量子科技领域的技术持续发展，属于国际第一梯队，尤其是量子通信相关技术处于世界一流水平。在量子计算领域，我国的起步虽然相对不算早，但发展速度很快，中国科学技术大学、清华大学等高校近年来都在量子计算领域取得一些阶段性成果，百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业也相继出台了量子计算研究计划，总体来说前景很光明。

下期，我们将会为大家深入讲解量子科技的另一个重点领域：量子计算。这是一个相对更加前沿、影响面更广的量子科技应用点，我国在这一领域的发展现状如何，扮演了怎样的角色？且听下回分解！