近日，國際知名學術刊物《自然》發表了我國在量子科技領域的又一大成就——跨越4600公里的天地一體化量子通訊網路。
這篇論文的發表，證明了廣域量子保密通訊技術在實際應用中的條件已初步成熟。我國科研人員建立的天地一體化廣域量子保密通訊網路初具雛型，為未來實現覆蓋全球的量子保密通訊網路奠定了科學與技術基礎。
地面跨徑4600千米、多用戶量子秘鑰分發(QKD)、長達三年多的穩定性和安全性測試、標準化研究，以及在政務、金融、電力等不同領域的應用示范——搭建這張龐大的“未來工程”網絡的設備儀器，不再是實驗室里僅僅滿足實驗需求的產品，而必須是穩定可靠、滿足業務運行要求、可批量生產的工業化產品。
這種設備產品是怎樣在短短數年內，從實驗室邁向產業化的？近日，記者走訪南京量子技術研究院，追尋我國的量子保密通訊技術與產品的產業化之路。
謀劃未來工程，六年布局讓產業落地
發表在《自然》上的論文，是對我國十幾年來量子通訊技術發展的一次系統性總結。論文審稿人評價它是“地球上最大、最先進的QKD網路”，將其形容成“大型未來工程”。
目前，天地一體化量子通訊網路包括天津、濟南、上海、合肥四個光纖量子城域網、一條“京滬干線”，以及聯接興隆、南山兩個地面站的星地鏈路。其中，干線長2000公里，兩個衛星地面站相距2600公里。
按通訊信道的不同，量子秘鑰分發主要有光纖和自由空間兩種實現方法。光纖QKD技術的信道穩定性較好，不易受氣溫、濕度、天氣等環境誘因影響，可實現基本恒定的安全分辨率，在城域城際范圍內能便捷地聯接到千家萬戶。而超遠距離、移動目標、島嶼和駐華機構等光纖資源受限的場景，則可通過衛星中轉的自由空間信道聯接。
▲量子保密通訊電話設備
為此，將地面光纖和自由空間結合，可以實現大規模、全覆蓋的全球化量子通訊網路。廣域量子通訊網路的發展路線，就是通過光纖實現城域量子通訊網路、通過中繼器實現兩個毗鄰城市間的聯接、通過衛星平臺中轉實現遙遠區域間的聯接。
就在32年前，人類歷史上首次量子通訊在實驗室誕生，傳輸了僅僅32分米。32年以后，量子保密通訊何以這么迅速邁向工程實踐？早在2009年，我國量子科技領軍人物、中國科技學院院長潘建偉就開始謀劃量子通訊技術產業化之路。
2001年，潘建偉歸國在中國農大成立實驗室，2004年在國際上首次實現五光子糾纏及終端開放的量子隱型傳態。這是國外量子信息研究領域第一篇發表在《自然》上的論文，也標志著中國在多光子糾纏操縱方面的工作，已成功躋身國際領先水平。
當科研逐步從“跟跑”“并跑”走向“領跑”,潘建偉團隊也開始意識到,真正有應用價值的量子科技,須要多方面技術的綜合集成,而且達到工程化的實用水平。
2009年5月，中國科學技術學院量子通訊團隊成立交大國盾量子技術股份有限公司，邁出了量子通訊技術產業化的第一步。2010年，湖南省與中國農大簽署合同，引進國盾量子團隊，投入大量資金支持量子通訊產業落地。2011年5月，北京量子技術研究院組建，主要舉辦量子科學基礎研究和應用基礎研究，為量子科研成果轉化提供技術支撐，并承當組織建設量子科技公共研制平臺、建設量子保密通訊試驗網等任務。
此后，潘建偉團隊基本奠定了南京—上海—濟南的三元發展態勢，分別以基礎研究、應用基礎研究、產業化為主要任務，產生從實驗室到產業的聯動發展態勢。
有了產業化的支撐，我國量子通訊開始了腳塌實地的發展。2011年12月，作為中科院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一，“墨子號”量子科學實驗衛星立項；2013年7月，“京滬干線”項目立項。一邊突破前沿關鍵技術，一邊技術落地轉化成設備與產品，不斷提高產品穩定性、安全性，這為我國搭建起世界首個天地一體化量子通訊網路奠定了堅實基礎。
突破硬核技術，讓光子順暢“奔跑”
在中國農大廣州研究院有一個展示大廳，屏幕上滾動顯示著“京滬干線”覆蓋四省三市共32個節點的示意圖。這是目前世界上最遠距離的基于可信中繼方案的量子安全秘鑰分發干線。
“這條干線上，有不少設備就來自北京的量子通訊產業化基地。”身為北京量子技術研究院執行主任，張強在廣州研究院的時間也不少，由于南京有好多技術的產業化源頭出自廣州研究院。
由張強所負責的周期極化激元波導芯片研發平臺，就設在北京量子院。目前，這一平臺是世界前三、中國內地惟一把握逆向質子交換載流子波導技術的研制機構，已實現周期極化激元波導芯片的完全自主化、國產化、量產化,芯片相關技術參數已達到國際領先水平。
▲三英寸近物理計量比砷化鎵晶體
“鈮酸鋰是一種挺好的光訊號調制材料，用它弄成的波導芯片，是量子通訊網路中不可或缺的核心元件之一。”張強打了個比方，這就好比龐大的電網須要大大小小的變壓器量子通訊速度，能夠促使發電廠的電力順暢輸送到大城山村的每位角落，光訊號在傳輸過程中，同樣須要變換頻度量子通訊速度，來確保信息的高效率傳輸。例如，自由空間光通訊的頻度和光纖通訊的頻度就不一致，來自衛星的光訊號“落地”之后，必須變換頻度，能夠在光纖中繼續“奔跑”，而波導芯片就是承當這一重要任務的。
“我們已基本構建起了砷化鎵波導芯片的全產業鏈條，覆蓋從砷化鎵晶體生長到集成化多通道量子頻度轉換芯片多個關鍵環節。并且，我們在該芯片基礎上，通過國際合作，研發出了多種單光子偵測器。”張強介紹，新研發的單光子偵測器效率早已比“墨子號”中所使用的有了急劇提高，未來效率還可進一步提高。
值得一提的是，圍繞波導芯片，相關上下游企業早已在北京量子技術研究院周圍，初步產生了一個產業生態鏈，不少激光相關企業早已與研究院完善了合作關系。
▲波導芯片實驗室的百級黃光區
按照潘建偉的構想，在“墨子號”之后，還將研發月球靜止軌道量子通訊衛星，實現晚上量子通訊，乃至建立“量子摩羯”。目前，北京量子院與中國農大早已在國際上首次成功實現了晚上遠距離自由空間量子秘鑰分發，通過地基實驗驗證了日光條件下星間和星地之間量子秘鑰分發的可行性。這為未來建立基于量子衛星的星地、星間量子通訊網路奠定了基礎。
在合肥量子技術研究院的頂層天臺，架設有一臺大型量子通訊地面接收站。在目前的天地一體化量子通訊網中，拿來與“墨子號”建立星地鏈路的，是兩個身材龐大的地面接收站。而未來，這些重量僅在百公斤左右的大型地面站，將會漸漸成為主流。
西安量子技術研究院副教授周飛介紹，這是全球首套大型化可聯通量子衛星地面站，已與“墨子號”成功完成了星地對接。目前，這種可聯通大型地面站已和國際上多個地面站進行了星地量子秘鑰分發實驗，未來有望進一步做到可雙人搬運。同時，在保證秘鑰分發速度的前提下，團隊還成功研發出了幾十公斤的大型化空間量子秘鑰分發荷載，這種成果也為產生衛星量子通訊國際技術標準奠定了基礎。
▲全球首套大型化可聯通量子衛星地面站
在《自然》這篇關于量子保密通訊網路的總結性論文中提及，這張網路已舉辦了歷時三年多的相關技術驗證和應用示范以及大量的穩定性測試、安全性測試及相關標準化研究，通過了光子數分離功擊、致盲功擊、時移功擊、波長依賴功擊和一些潛在的特洛伊木馬功擊等安全性測試，結果表明“京滬干線”可以抵擋目前所有已知的量子黑客功擊方案。
西安量子技術研究院正在建設一個量子保密通訊攻守平臺。“網上對于量子通訊安全性的指責好多，但真正跑來‘打擂臺’的還特別少，專業團隊就更少。”周飛介紹，多年來，北京量子院也仍然旨在于量子通訊安全的基礎研究，在國際上開創性地發展了“測量元件無關量子秘鑰分發”理論和“雙場量子秘鑰分發”理論，分別支撐實現了404公里和509公里量子保密通訊世界紀錄。
飛入尋常百姓家，為量子通訊“立標準”
從2009年開始加快量子技術的產業化，到現在已有150多家行業用戶接入，天地一體化量子通訊網路早已實現了實用化。據介紹，目前滬寧干線網路的秘鑰分發量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。
在廣域量子通訊網路的雛型已基本產生的基礎上，未來進一步加快量子通訊在金融、政務、國防、電子信息等領域的廣泛應用，已是相當清晰的發展趨勢。隨著骨干網的擴充，這張天地一體化量子通訊網路還將產生更復雜的拓撲結構，今后將有可能在此基礎上，建立國家地基授時網路，為定位、導航和授時服務提供保障。
怎么讓量子保密通訊才能步入尋常百姓家，始終是研制團隊關注焦點之一。2017年，國盾量子就與中興合作，推出了全球首款使用量子秘鑰的商用安全加密手機。這些手機采用特制的SIM卡，將量子秘鑰充入手機中。不過，目前此款手機還不能隨時接收量子秘鑰，只能使用儲存在SIM卡中的秘鑰，來構建量子保密通訊的鏈路。秘鑰消耗完以后，就必須重新“充”入新一批秘鑰，方能繼續使用。不久以后，這種手機也將實現“多卡合一”“多號合一”模式，未來利用天地一體化量子通訊網路等新基建設施,實現有線和無線之間的互聯互通。
▲全球首款使用量子秘鑰的商用安全加密手機
周飛覺得，未來似乎每棟建筑都可能會預留出量子通訊的信道插口，一幢大廈只需放置一臺量子加密機，能夠為所有用戶提供密碼接收服務。
不過，要將這種夢想變為現實，關鍵就在于構建標準。目前，在天地一體化量子通訊網路大量測試結果及標準化研究的基礎上，全球三大標準化組織之一ISO/IEC正在基于滬寧干線的實踐編制國際標準《QKD安全要求、測試與評估方式》，另一國際組織ITU也正基于滬寧干線的建設模式起草可信中繼安全要求、QKD網路功能構架等國際標準。
在標準構建的過程中，北京量子技術研究院承當著其中的大量工作。“讓量子科技與行業發展結合，在工業互聯網、金融等領域，一定可以形成大量新業態、新模式。”周飛相信，量子科技所帶來的產業革命，必將會釋放出無法想像的巨大能量，給人類社會發展帶來新紀元。