提高思維層次
剖析科學(xué)，洞察本質(zhì)
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導(dǎo)讀
近六年來(lái)，人們?cè)趯?shí)現(xiàn)長(zhǎng)程量子通訊的關(guān)鍵技術(shù)，如單光子源、量子儲(chǔ)存等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，這都為最終實(shí)現(xiàn)可用的量子中繼，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通訊打下了基礎(chǔ)。而未來(lái)，在另一個(gè)可能的長(zhǎng)程量子通訊方案——自由空間中的星地傳輸方面，我國(guó)的研究水平也必定一馬當(dāng)先。我國(guó)已率先發(fā)射了墨子衛(wèi)星，完善了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(diǎn)。
“我們大多中國(guó)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(dòng)中國(guó)年度人物”頒獎(jiǎng)儀式上，面對(duì)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(wèn)。
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(gè)夏夜“突然網(wǎng)紅”，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”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(guó)量子通訊領(lǐng)域取得的卓越成就，震撼了國(guó)人，在世界舞臺(tái)迎來(lái)高光時(shí)刻。
量子通訊（想像圖），圖片來(lái)源：《中國(guó)國(guó)家天文》雜志
量子通訊技術(shù)致力借助量子態(tài)實(shí)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(shí)現(xiàn)量子秘鑰的分配。目前，量子通訊與量子計(jì)算機(jī)已被納入我國(guó)《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》“科技創(chuàng)新2030—重大項(xiàng)目”，是彰顯國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目。
當(dāng)“領(lǐng)跑”成為習(xí)慣……
著眼當(dāng)下，“在量子通訊方面，我們的技術(shù)與國(guó)際最好水平相當(dāng)；非常是實(shí)用化的量子秘鑰分配技術(shù)，中國(guó)推動(dòng)了國(guó)際水平。”中國(guó)科大學(xué)量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓永建院長(zhǎng)對(duì)科技商報(bào)記者介紹。
量子密碼是迄今惟一有望實(shí)用化的量子信息應(yīng)用（想像圖），圖片來(lái)源：《中國(guó)國(guó)家天文》雜志
這項(xiàng)韓永建口中領(lǐng)先的實(shí)用化量子秘鑰分配技術(shù)，我國(guó)已十多年在世界范圍內(nèi)“獨(dú)孤求敗”。2005年，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室就早已在商用光纖上實(shí)現(xiàn)了上海和北京之間125公里的量子秘鑰傳輸實(shí)驗(yàn)，為城域的量子秘鑰分配奠定了基礎(chǔ)。2016年中國(guó)發(fā)射了“墨子號(hào)”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(chǔ)，國(guó)家量子通訊骨干網(wǎng)“京滬干線”項(xiàng)目西安至上海段當(dāng)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(guó)也高踞領(lǐng)跑位置。
突破前夜多項(xiàng)成果呼之欲出
“經(jīng)過(guò)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(shè)備今后會(huì)迅速地跟進(jìn)構(gòu)建。
其中量子通訊 優(yōu)點(diǎn)，特別重要的量子通訊“神器”之一——可用量子中繼的問(wèn)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(shí)現(xiàn)量子通訊，其核心問(wèn)題是把量子態(tài)傳輸或分配到足夠遠(yuǎn)的地方。因?yàn)閭鬏斝诺赖奶攸c(diǎn)，光子不可防止會(huì)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(huì)遭到極大的限制。解決問(wèn)題的關(guān)鍵便是引入量子中繼。
近六年來(lái)，人們?cè)趯?shí)現(xiàn)長(zhǎng)程量子通訊的關(guān)鍵技術(shù)，如單光子源、量子儲(chǔ)存等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，“這都為最終實(shí)現(xiàn)可用的量子中繼，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通訊打下了基礎(chǔ)。”韓永建表示。而未來(lái)，在另一個(gè)可能的長(zhǎng)程量子通訊方案——自由空間中的星地傳輸方面，我國(guó)的研究水平也必定一馬當(dāng)先。我國(guó)已率先發(fā)射了墨子衛(wèi)星，完善了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(diǎn)。
10年內(nèi)“飛”入千萬(wàn)家
這么高精尖的量子通訊技術(shù)，未來(lái)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(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副研究員袁嵐峰對(duì)科技商報(bào)記者說(shuō)，“量子通訊最大的優(yōu)越性就在于保密，只要有消費(fèi)者覺(jué)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(lái)源：《中國(guó)國(guó)家天文》雜志
潘建偉教授也曾表示，假如沒(méi)有信息安全量子通訊 優(yōu)點(diǎn)，所有重要的應(yīng)用都是難以運(yùn)行的。如果你有一輛無(wú)人駕駛車輛，他人用訊號(hào)控制一下它如何辦？作為迄今惟一被證明理論上無(wú)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(jī)，兩年間成本就從百億元增長(zhǎng)到一二十億元左右，漲幅近10倍。他恐怕，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，終端設(shè)備還可能降至億元以下，步入家庭是完全可能的，會(huì)有寬廣的消費(fèi)者市場(chǎng)。
潘建偉也曾展望，希望通過(guò)10年左右的努力，將來(lái)每位人在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行的轉(zhuǎn)款、支付等消費(fèi)行為，都還能享受到量子通訊的安全保障。
未來(lái)天地量子通訊的鏈路正在打開
中科院教授、南京郵電學(xué)院院長(zhǎng)尹浩預(yù)測(cè)，到2020年，中國(guó)區(qū)域量子通訊網(wǎng)路可成熟應(yīng)用；到2030年，星地一體的廣域量子通訊網(wǎng)路即可投入應(yīng)用。
量子通訊網(wǎng)路（想像圖），圖片來(lái)源：《中國(guó)國(guó)家天文》雜志
潘建偉則詳盡地描述了未來(lái)的圖景——隨著衛(wèi)星的發(fā)射，未來(lái)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(lái)天上不止一顆星，會(huì)有幾顆甚至幾十顆星。“或者可以把我們的設(shè)備搭載到我國(guó)現(xiàn)有的一些星群里面，構(gòu)成一個(gè)天秤。有了天蝎以后，就可以十分便捷地來(lái)實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的量子秘鑰分發(fā)。我想這是對(duì)量子通訊未來(lái)發(fā)展十分重要的一步。”
“以先輩的名義，做前無(wú)古人的事業(yè)”，這是感動(dòng)中國(guó)評(píng)委對(duì)潘建偉的頒獎(jiǎng)詞。“墨子”號(hào)的上天，之所以有前無(wú)古人的意義，袁嵐峰覺(jué)得，皆因它標(biāo)志著中國(guó)正式開啟一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)，這從人類步入現(xiàn)代社會(huì)以來(lái)還是第一次。“中國(guó)的鐵路如今已是世界領(lǐng)先，但臺(tái)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(guó)際上是沒(méi)有先例的，所以這個(gè)中國(guó)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(xué)家所開創(chuàng)的業(yè)績(jī)，是時(shí)代的最強(qiáng)音。”
未來(lái)，我國(guó)量子科學(xué)家“夢(mèng)之隊(duì)”，必定在究天人之際、與科學(xué)“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(jì)錄！超400公里抗黑客量子秘鑰分發(fā)實(shí)現(xiàn)
借助量子原理進(jìn)行加密，圖片來(lái)源：《中國(guó)國(guó)家天文》雜志
潘建偉及其朋友張強(qiáng)、陳騰云以及復(fù)旦學(xué)院王向斌等單位科研人員合作，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)超過(guò)400公里抵擋量子黑客功擊的檢測(cè)設(shè)備無(wú)關(guān)量子秘鑰分發(fā)。該成果今年11月發(fā)表在權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》上，被選為編輯推薦文章，并被日本數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)下屬《物理》雜志報(bào)導(dǎo)。該成果極大地促進(jìn)了兼具安全和實(shí)用的遠(yuǎn)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(wú)條件安全的共享秘鑰。從1984年第一個(gè)量子秘鑰分發(fā)合同（BB84合同）提出以來(lái)，降低安全通訊距離、提高安全成分辨率和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的安全性是開發(fā)實(shí)用性量子秘鑰分發(fā)最重要的三個(gè)目標(biāo)。此前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果安全成分辨率較低，嚴(yán)重限制了該量子通訊技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)此問(wèn)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(jìn)一步通過(guò)發(fā)展穩(wěn)定的雙光子干涉技術(shù)和系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)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(dǎo)納面條單光子偵測(cè)器，成功地將檢測(cè)設(shè)備無(wú)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(jì)錄。非常值得強(qiáng)調(diào)的是，在相同現(xiàn)實(shí)條件下，雖然利用完美單光子源，BB84合同也不能在如此長(zhǎng)的傳輸距離上得以實(shí)現(xiàn)。
背景簡(jiǎn)介：中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院淮安微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副研究員、科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)袁嵐峰博士就量子通信及其發(fā)展問(wèn)題接受了科學(xué)晚報(bào)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(hào)科技商報(bào)2017全省人代會(huì)全媒體報(bào)導(dǎo)專題（），風(fēng)云之聲獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。