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導讀
近六年來，人們在實現(xiàn)長程量子通訊的關(guān)鍵技術(shù)，如單光子源、量子儲存等方面都取得了長足的進展，這都為最終實現(xiàn)可用的量子中繼，從而實現(xiàn)遠距離的量子通訊打下了基礎。而未來，在另一個可能的長程量子通訊方案——自由空間中的星地傳輸方面，我國的研究水平也必定一馬當先。我國已率先發(fā)射了墨子衛(wèi)星，完善了相關(guān)的實驗平臺，今后隨著研究深入，人們將更清楚這兩種不同方案的優(yōu)劣點。
“我們大多中國人都曉得老娘、孔子、莊子、墨子……真不曉得量子！您能不能給我們科普一下，量子是哪些子？”今年2月初召開的“2016感動中國年度人物”頒獎儀式上，面對連任“十大年度人物”的中科院教授潘建偉，衛(wèi)視主持人譏諷地問。
就是這被潘教授釋為“小小的顆粒”的量子，在2016年8月的一個夏夜“突然網(wǎng)紅”，世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空，一張縱橫寰宇的量子通訊“天地網(wǎng)”正逐漸織就。我國量子通訊領(lǐng)域取得的卓越成就，震撼了國人，在世界舞臺迎來高光時刻。
量子通訊（想像圖），圖片來源：《中國國家天文》雜志
量子通訊技術(shù)致力借助量子態(tài)實現(xiàn)信息的編碼、傳輸、處理和解碼，非常是借助量子態(tài)（單光子態(tài)和糾纏態(tài)）實現(xiàn)量子秘鑰的分配。目前，量子通訊與量子計算機已被納入我國《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》“科技創(chuàng)新2030—重大項目”，是彰顯國家戰(zhàn)略意圖的重大科技項目。
當“領(lǐng)跑”成為習慣……
著眼當下，“在量子通訊方面，我們的技術(shù)與國際最好水平相當；非常是實用化的量子秘鑰分配技術(shù)，中國推動了國際水平。”中國科大學量子信息重點實驗室韓永建院長對科技商報記者介紹。
量子密碼是迄今惟一有望實用化的量子信息應用（想像圖），圖片來源：《中國國家天文》雜志
這項韓永建口中領(lǐng)先的實用化量子秘鑰分配技術(shù)，我國已十多年在世界范圍內(nèi)“獨孤求敗”。2005年，中科院量子信息重點實驗室就早已在商用光纖上實現(xiàn)了上海和北京之間125公里的量子秘鑰傳輸實驗，為城域的量子秘鑰分配奠定了基礎。2016年中國發(fā)射了“墨子號”衛(wèi)星，為星地之間自由空間的秘鑰分配（量子通訊）打下了基礎，國家量子通訊骨干網(wǎng)“京滬干線”項目西安至上海段當月底順利開通。韓永建表示，這種成果都處于世界領(lǐng)先水平。據(jù)悉，在量子秘鑰系統(tǒng)的研究以及商業(yè)化方面，我國也高踞領(lǐng)跑位置。
突破前夜多項成果呼之欲出
“經(jīng)過20多年的投入和研究，量子信息技術(shù)處于取得巨大突破的前夜，相關(guān)新技術(shù)將不斷涌現(xiàn)。”韓永建表示，量子通訊（非常是量子秘鑰分配）目前在城域范圍（200公里）內(nèi)已處于商業(yè)階段，其他相關(guān)的設備今后會迅速地跟進構(gòu)建。
其中量子通訊 優(yōu)點，特別重要的量子通訊“神器”之一——可用量子中繼的問世指日可待。哪些是量子中繼呢？韓永建介紹，光子是天然的量子通訊載體，為實現(xiàn)量子通訊，其核心問題是把量子態(tài)傳輸或分配到足夠遠的地方。因為傳輸信道的特點，光子不可防止會遺失，隨著距離的降低，這些衰減是指數(shù)下降的，因此傳輸距離會遭到極大的限制。解決問題的關(guān)鍵便是引入量子中繼。
近六年來，人們在實現(xiàn)長程量子通訊的關(guān)鍵技術(shù)，如單光子源、量子儲存等方面都取得了長足的進展，“這都為最終實現(xiàn)可用的量子中繼，從而實現(xiàn)遠距離的量子通訊打下了基礎。”韓永建表示。而未來，在另一個可能的長程量子通訊方案——自由空間中的星地傳輸方面，我國的研究水平也必定一馬當先。我國已率先發(fā)射了墨子衛(wèi)星，完善了相關(guān)的實驗平臺，今后隨著研究深入，人們將更清楚這兩種不同方案的優(yōu)劣點。
10年內(nèi)“飛”入千萬家
這么高精尖的量子通訊技術(shù)，未來有什么用武之地，又將怎樣造福普通大眾？
中科大武漢微尺度物質(zhì)科學國家實驗室副研究員袁嵐峰對科技商報記者說，“量子通訊最大的優(yōu)越性就在于保密，只要有消費者覺得自己的信息值得高度保密，量子通訊就不乏潛在的用戶。目前早已有政府和金融單位在試用量子通訊產(chǎn)品”。
量子通訊（想像圖），圖片來源：《中國國家天文》雜志
潘建偉教授也曾表示，假如沒有信息安全量子通訊 優(yōu)點，所有重要的應用都是難以運行的。如果你有一輛無人駕駛車輛，他人用訊號控制一下它如何辦？作為迄今惟一被證明理論上無條件安全的量子通訊，“它可以覆蓋到所有須要信息安全的地方”。
量子通訊民用普及的程度取決于其成本上漲的快慢，袁嵐峰介紹，量子保密通訊的終端機，兩年間成本就從百億元增長到一二十億元左右，漲幅近10倍。他恐怕，在可預見的未來，終端設備還可能降至億元以下，步入家庭是完全可能的，會有寬廣的消費者市場。
潘建偉也曾展望，希望通過10年左右的努力，將來每位人在互聯(lián)網(wǎng)上進行的轉(zhuǎn)款、支付等消費行為，都還能享受到量子通訊的安全保障。
未來天地量子通訊的鏈路正在打開
中科院教授、南京郵電學院院長尹浩預測，到2020年，中國區(qū)域量子通訊網(wǎng)路可成熟應用；到2030年，星地一體的廣域量子通訊網(wǎng)路即可投入應用。
量子通訊網(wǎng)路（想像圖），圖片來源：《中國國家天文》雜志
潘建偉則詳盡地描述了未來的圖景——隨著衛(wèi)星的發(fā)射，未來天地量子通訊的鏈路就打開了，打開后我們就可以暢想，恐怕將來天上不止一顆星，會有幾顆甚至幾十顆星。“或者可以把我們的設備搭載到我國現(xiàn)有的一些星群里面，構(gòu)成一個天秤。有了天蝎以后，就可以十分便捷地來實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的量子秘鑰分發(fā)。我想這是對量子通訊未來發(fā)展十分重要的一步。”
“以先輩的名義，做前無古人的事業(yè)”，這是感動中國評委對潘建偉的頒獎詞。“墨子”號的上天，之所以有前無古人的意義，袁嵐峰覺得，皆因它標志著中國正式開啟一個全新的產(chǎn)業(yè)，這從人類步入現(xiàn)代社會以來還是第一次。“中國的鐵路如今已是世界領(lǐng)先，但臺灣早就有新干線了；華為在通訊領(lǐng)域做到世界第一，但通訊行業(yè)也已經(jīng)存在。只有量子通訊，在國際上是沒有先例的，所以這個中國首創(chuàng)的產(chǎn)業(yè)歷史意義十分重大。以潘建偉、郭光燦、杜江峰為代表的一批科學家所開創(chuàng)的業(yè)績，是時代的最強音。”
未來，我國量子科學家“夢之隊”，必定在究天人之際、與科學“糾纏”的求索之路上仍然不渝地走下去，完成先輩未竟的事業(yè)。
黑科技：創(chuàng)紀錄！超400公里抗黑客量子秘鑰分發(fā)實現(xiàn)
借助量子原理進行加密，圖片來源：《中國國家天文》雜志
潘建偉及其朋友張強、陳騰云以及復旦學院王向斌等單位科研人員合作，在國際上首次實現(xiàn)超過400公里抵擋量子黑客功擊的檢測設備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)。該成果今年11月發(fā)表在權(quán)威學術(shù)刊物《物理評論快報》上，被選為編輯推薦文章，并被日本數(shù)學學會下屬《物理》雜志報導。該成果極大地促進了兼具安全和實用的遠距離光纖量子通訊的發(fā)展。
量子秘鑰分發(fā)可以為分隔兩地的用戶提供無條件安全的共享秘鑰。從1984年第一個量子秘鑰分發(fā)合同（BB84合同）提出以來，降低安全通訊距離、提高安全成分辨率和增強現(xiàn)實系統(tǒng)的安全性是開發(fā)實用性量子秘鑰分發(fā)最重要的三個目標。此前的實驗結(jié)果安全成分辨率較低，嚴重限制了該量子通訊技術(shù)的實際應用。針對此問題，王向斌小組提出了4硬度優(yōu)化理論技巧，可以大幅度提升安全成分辨率和安全距離。
這次，潘建偉小組進一步通過發(fā)展穩(wěn)定的雙光子干涉技術(shù)和系統(tǒng)長時間穩(wěn)定技術(shù)，采用4硬度優(yōu)化理論方式，結(jié)合北京微系統(tǒng)所尤立星研究員研發(fā)的高效低噪音超導納面條單光子偵測器，成功地將檢測設備無關(guān)的量子秘鑰分發(fā)安全傳輸記錄拓展至404公里超低耗損光纖和311公里普通光纖距離，創(chuàng)造了光纖傳輸距離新的世界紀錄。非常值得強調(diào)的是，在相同現(xiàn)實條件下，雖然利用完美單光子源，BB84合同也不能在如此長的傳輸距離上得以實現(xiàn)。
背景簡介：中國科學技術(shù)學院淮安微尺度物質(zhì)科學國家實驗室副研究員、科技與戰(zhàn)略風云學會會長袁嵐峰博士就量子通信及其發(fā)展問題接受了科學晚報記者劉歲晗的專訪，內(nèi)容如文章所示。本文于2017年3月10日發(fā)表于陌陌公眾號科技商報2017全省人代會全媒體報導專題（），風云之聲獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。
