量子通信：中国“弯道超车”

陈浩杰

破解通信安全难题的量子通信技术，正成为全球大国之间科技竞争的前沿领域。而在这一轮的量子通信竞赛中，中国俨然占了上风。

2016年8月16日凌晨，人类历史上第一颗用于量子通信研究的“墨子号”量子科学实验卫星，在中国酒泉卫星发射中心发射升空，该卫星将配合多个地面站实施星地量子密钥分发、星地量子纠缠分发和地星量子远程传态等量子通信领域的实验。

除了基础科学前沿领域的突破性进展，它也是人类尝试通过地面站与地面光纤量子通信网络链接，为未来覆盖全球的天地一体化量子通信网络积累技术基础。

此外，由中国科学技术大学承建、2013年国家批准立项、我国量子通信领域另一重大工程——“京沪干线”，按计划也有望于2016年年底建成。该干线连接北京和上海，全长2000余公里，是世界首条量子保密通信主干网，将大幅提高我国军事、政务、银行和金融系统的安全性。

量子通信的“特异功能”在于“一次一密”，一旦通信被窃听通信双方都能立刻发现。

“墨子号”和“京沪干线”两大工程的实施，不但扩大了我国在量子通信领域世界领先的优势，还将有力提速量子通信的产业化进程。按中国科技大学常务副校长、中国科学院院士潘建伟的预测，也许在15年之后，每个人都可以用上无条件安全的量子手机。

可以说，量子通信正展现出前所未有的前景和机遇。

童话与现实

“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。”作为量子通信卫星首席科学家，潘建伟如是介绍“墨子号”名称的由来。

8月16日“墨子号”成功发射后，潘建伟立即成了“网红”。他的身影出现在多个论坛或讲台，面向不同的群体讲解量子通信。9月1日，在北京中关村一小，潘建伟还受邀为小学生们上了普及量子常识的开学第一课。

在每个公开场合，潘建伟所有的演讲，总离不开两个问题：量子通信厉害在哪里？中国的量子通信又有多厉害？对这一缺乏日常感知的新技术，有人“不明觉厉”，也有人不觉生疑。

即使是“墨子号”上了天，对于量子通信的技术可行性等方面的一些质疑也依然存在。一个说法是，相比传统通信，量子通信目前有许多技术上解决不了的缺陷，量子通信并非“正道”。

“中国人在科学技术上一直不自信。有这种声音是正常的。在量子通信这个高科技领域，中国领跑了世界，听起来像个童话，但这已经是现实。”一位多年研究量子通信的专家如是评价。

阿里巴巴集团首席技术官王坚也说：“以前我们在科学技术发展方面总是处于追赶者位置，向世界去寻求答案，但这次，我们有机会给世界一个提问的机会。”

据潘建伟介绍，量子通信的“特异功能”在于“一次一密”：在量子密钥分发过程中，其每个信息都依靠单个光子传送。它不可分割，不可克隆，一旦通信被窃听，通信双方都能立刻发现。

“量子通信相比于经典通信的最大优势是安全性。”科大国盾量子总裁赵勇说，它不依赖于算法的复杂度，具有无条件安全性。不过，他也认为，在其他方面，量子通信与经典通信相比优势并不明显。

“可以用一个经典的比喻，量子通信好比火车，经典通信好比马车。火车刚出来的时候，在很多方面不如马车。例如火车只能在铁轨上跑，马车可以去任何地方。火车还经常出毛病。但即使有这些缺点，有远见的人还是能看明白，火车的发展空间远远大于马车，未来一定属于火车。”在《这些否定量子通信的说法，为什么是错的？》一文中，中国科学技术大学博士袁岚峰这样写道。

“有没有量子通信，不是80分和90分的区别，而是0和1的区别，甚至生和死的区别。”袁岚峰表示，非理性否定量子通信的说法对社会的危害不小，需要认真对待。

“中国速度”

争议的产生，或许是因为量子通信在中国发展得太快了，远超常人想象。

以“墨子号”通信卫星为例，该项目从2011年立项到2016年发射，只用了5年时间。而在过去的10多年时间，量子通信在中国的发展更是如同一列飞奔的火车，期间创造了多个“世界第一”：

2003年，首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验，首次成功地实现了自由量子态隐形传输;

2008年，利用冷原子量子存储技术，在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠;

2014年11月，将可以抵御黑客攻击的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，并将成码率提高了3个数量级，创下新的世界纪录……

就在“墨子号”发射约一个月之后，国际权威学术期刊《自然·光子学》“不经意”又“暴露”了中国量子通信领域的一项重大进展。

在2012年建成、覆盖合肥主城区、拥有46个节点的合肥量子城域通信试验网上，潘建伟的科研团队与相关合作单位首次实现了预先纠缠分发的独立量子源之间的量子态隐形传输。

量子隐形传态是基于量子纠缠特性出现的一种新型通信方式。根据量子力学研究，一旦两个量子之间产生了“纠缠”关系，那么无论相隔多远，一个量子的状态发生变化，另一个也会瞬时相应变化。量子隐形传态相当于将甲地某一粒子的量子信息在乙地另一粒子上还原出来，被传输的物体就像是进行了一场“穿越”。

但是，要实现这场“穿越”，必须达到“纠缠态预分发”、“独立量子源干涉”和“前置反馈”三个要素，之前国际上还没有任何一个量子隐形传态实验能同时满足要求。而在合肥量子城域通信网络的30公里光纤上，科研人员完成了满足上述三要素的量子隐形传态实验，这被视作我国未来构建可扩展的大规模量子网络奠定了基础。

潘建伟团队的科研人员告诉《财经国家周刊》记者，未来的量子信息传输网络是广域量子通信网络，建设这个网络，必须要有的一个基本通信方式就是量子态隐形传输。“它们实现的是城域网传输，城域网是实验床，未来会有很多新想法可以在这个网络里进行。”

合肥量子通信城域试验网是全球首个拥有规模化量子通信网络的城市。除了中国科技大学的所在地合肥外，2013年11月，济南量子通信试验网也投入使用，覆盖济南市主城区，包括三个集控站在内共56个节点，涵盖政务、金融、科研、教育等领域，是迄今为止世界上量子节点、用户数量、业务种类和“密钥”发放最多的、规模最大的量子试验网，每天为数以百计的用户单位提供语音电话、传真、文本通信和文件传输等量子通信业务。

我国量子通信的另一项重大工程——量子保密通信线路“京沪干线”，正是在合肥、济南这些城域网支点基础上建设，就此形成一条绵延2000多公里的广域光纤量子保密通信骨干线路。

按照潘建伟的设想，希望通过10到20年的努力，构建一个天地一体的全球化量子通信网络，最后构建基于量子安全保障的地面通信网络。

天上有卫星、地上有干线，在“中国速度”下，一张天地一体的量子通信大网已经初具雏形。

“量子星群”蓝图

不过，要真正实现量子通信的规模化应用，这一切还只是刚刚开始。

据科研人员介绍，要实现量子密钥传输，目前主要有可信中继站和星地量子通信两条路径。在可信中继站的探索上，通过中继器放大信号，保证密钥的传输与安全，这一途径依托的是在建的“京沪干线”。而星地量子通信方面，则是依托“墨子号”量子卫星，潘建伟团队通过实验，验证了微弱的量子态在穿越大气层后是可有效保持的，且每秒可传送1万个密钥。

不过，目前这两条路径都存在一些难题。

中国信息通信研究院高级工程师赵文玉说，目前国内应用的量子密钥分发技术存三个不足：一是传输的距离比较短;二是量子密钥生成的码率比较低;三是长距离的传输必须部署中继。即使是拥有了一批可信中继站，在中继节点密钥要进行交换，这在某种程度上会引入新的安全风险，降低量子密钥分发的安全性。

而卫星传送方面，目前的传送能力远远满足不了需求。潘建伟介绍，一颗卫星从轨道上每天经过上海大概只有一轨，也就只有几百秒，每秒钟可以送1万个密钥，几百秒也只是传送几百万密钥的信息。因此，一颗卫星还远远不够。

无论是“京沪干线”还是“墨子号”量子通信卫星，承担的都是“中介”功能，实现卫星和地面之间的量子通信，需要结合地面已有的光纤量子通信网络，初步构建一个广域的量子通信体系。

“我们希望通过10到20年的努力，构建一个天地一体的全球化量子通信网络，最后构建基于量子安全保障的地面通信网络。”潘建伟接受媒体采访时介绍说。

按照他的设想，未来5年，需要至少两颗卫星上天，以此解决卫星与卫星之间通讯全天时的问题。再通过10年左右的努力，形成“星群”，与地面的台站结合，逐步构建起天地一体的量子通信广域传输网络。

“这意味着，未来5到10年内，我国有望建成天地一体化的量子通信网络，实现全球量子化通信。”科技部973青年项目首席科学家、中国科技大学教授张强说。

产业元年

“量子星群”蓝图也许10年之后才能绘就，但在不少业内人士看来“量子称霸”时代已经到来，2016年就是量子信息的产业化元年。

积极的信号首先来自于国家战略和政策层面。

10月9日，中央政治局就实施网络强国战略进行第三十六次集体学习，习近平总书记指出，要实施网络信息领域核心技术设备攻坚战略，推动量子通信等研发和应用取得重大突破。作为事关国家信息和国防安全的前沿技术，量子通信再一次为中国最高决策层所强调。

今年4月，习近平总书记在中国科学技术大学考察时，对量子通信研发工作给予高度肯定。

7月20日，李克强总理主持召开的国务院常务会议上，通过了“十三五”国家科技创新专项规划，要求在量子通信等重点领域启动一批新的重大科技项目。据知情人士介绍，今年年底或者明年年初，支持量子信息产业发展的国家级专项基金有望设立。

伴随着国家战略、政策扶持和引导，资本聚集加速，量子通信产业正迎来爆发点。

量子通信产业主要包括元器件、设备、建设运维、运营应用四个环节。这其中，无论哪一个环节都充满商机。

“中国在量子通信领域的产业化进程大大超过欧美国家，已处于产业化发展前期。”天风证券首席策略分析师徐彪告诉《财经国家周刊》记者。尤其在产业链的核心环节——量子设备与解决方案提供领域表现突出，全球主要的4家量子设备与解决方案提供商中，有两家来自中国。“然而，在核心零组件环节还主要依赖进口，亟待突破。

中国的产学研用各界也正在努力突破这一瓶颈。9月12日，由清华大学和九州量子通信技术有限公司共同筹建的量子网络联合实验室揭牌。

据九州量子总裁曹文钊介绍，从具体业务领域来看，联合实验室将重点攻克长程量子网络中关键量子器件的研究，促成量子网络技术在产业化中的应用，重点关注量子网络关键器件的研发及量子保密通信网络方案的分析与优化，尤其在量子中继、量子密码和量子测量等当今量子信息界的重要难题方面，联合实验室的成立将起到重要推进作用。

而早在去年年底，国科控股、科大国盾量子、阿里巴巴、中兴通讯等发起组建“中国量子通信产业联盟”，联盟将通过整合在技术研发、核心制造、基础设施、应用服务、大数据、互联网以及科技金融等领域代表性核心企业和研究机构的优势资源，促进创新链、产业链与资本链的联动，做好产业顶层设计与战略规划，推动标准规范的建立健全，构筑可持续发展的量子通信产业生态系统，打造世界领先的量子通信产业。

根据中投顾问的预测，国内量子通信短期市场规模在100亿—130亿元左右，长期市场规模将超过千亿。随着量子通信商业化进程的推进，产业链上中下游将持续受益。

当然，受益的不只是产业链。“刚开始，会应用在商业、金融、军事等领域，这是一项科学研究成果，谁都可以来用;5年后，很多政府部门都会用到;15年后，应该可以走进千家万户，每个人的手机上都可以装一个量子加密芯片，保护自己的隐私。”潘建伟表示，将来每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为，都能够享受到量子通信的安全保障。