量子通信：讓信息傳輸無條件安全

「墨子號」開展量子密鑰分發，2017年5月攝於烏魯木齊南山，多張照片合成了衛星過境全貌。中科院供圖

全國政協十三屆一次會議首場「委員通道」3月3日在人民大會堂北大廳舉行。全國政協委員、中科院院士、中國科技大學常務副校長潘建偉在「委員通道」表示，量子通信原理上可以提供一種不能破解、不能竊聽的安全信息傳輸方式，它在國防、政務、金融、個人信息保護等方面都起到了積極的作用。通過未來5—10年的努力，我們希望能夠構建一個天地一體化的量子保密通信網路，來保護千家萬戶的信息安全。

從理想王國走到了現實王國

2018年1月21日，「2017科技盛典」頒獎典禮在央視演播大廳隆重舉行。潘建偉領銜的「天地一體化廣域量子通信技術研究團隊」入選年度科技創新團隊。中國科學院院長白春禮為該團隊頒獎。

「天地一體化廣域量子通信技術研究團隊」經過長達10餘年的協同攻關，取得了天地一體化廣域量子通信技術的重大突破。自主研製了世界上首顆量子科學實驗衛星「墨子號」，在國際上率先實現千公里級的星地量子通信，圓滿實現全部既定科學目標；國家量子保密通信「京滬幹線」通過總技術驗收，使得我國的量子通信研究水平全面處於國際領先地位。結合「京滬幹線」與「墨子號」的天地鏈路，中國和奧地利之間在國際上首次成功實現了距離達7600公里的洲際量子密鑰分發，標誌著天地一體化廣域量子通信網路雛形已經形成。用潘建偉的話說，千公里級的星地雙向量子通信，終於「從理想王國走到了現實王國」。

上面提到的「量子通信」，是利用量子比特作為信息載體來傳輸信息的通信技術，可在確保信息安全、增大信息傳輸容量等方面突破經典信息技術的極限。量子通信有兩種最典型的應用，一種是量子密鑰分發，另一種是量子隱形傳態。量子密鑰分發克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明是原理上無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的信息安全傳輸問題。

這聽上去「玄而又玄」的「黑科技」正影響改變著我們的現在和未來——我國科學家自主研製的量子通信裝備，已經為60周年國慶閱兵、黨的「十八大」「十九大」、紀念抗戰勝利70周年閱兵等國家重要政治活動提供了信息安全保障。中國銀監會銀行業監管信息報送、中國人民銀行人民幣跨境收付信息管理系統、中國工商銀行網上銀行數據異地災備系統、阿里巴巴商業數據加密傳輸等等，用的都是量子保密通信技術。

堪比萬米高空向儲錢罐里扔硬幣

中國量子通信團隊取得了舉世矚目的重要成果，在這當中他們遭遇了怎樣的技術難題？

潘建偉介紹說，在量子通信技術的研發過程中，首先要面對的是製備單個光量子的技術難題。他舉了一個非常形象的例子，來解釋這一關鍵技術的難度：一個普通的15瓦左右的燈泡每秒鐘輻射出的光量子個數可達百億億個，想要實現單個光量子的製備就如同在這百億億個光量子發射出來的瞬間捕捉到其中的某一個，技術難度可想而知。另一個難題是單光子的探測。單個光子已經是光能量的最小單元，能量是非常微弱的，需要發展出非常精密和高效的單光子探測技術。具備了單個光量子的製備和探測能力後，才能夠實現安全的量子通信。這僅僅指的是地面上的量子通信，而要實現量子衛星與地面的星地通信難度更可想而知。

「簡單地講幾件事情，你會大致明白究竟有多難。」 量子通信技術研究團隊王建宇教授細數了「墨子號」衛星的種種難關，「舉個例子，要從1000公里的高度把一個個光子發射到地面站，這就好比在萬米高空高速飛行的飛機上，同時向地面兩個旋轉的投幣口細長的儲蓄罐扔進一個個硬幣。儲蓄罐的投幣口是細長的，相當於光的偏振，它是有方向的，硬幣要把方向對好才能扔進去，而且不是扔一個，要兩邊同時都扔准才行。」王建宇說，他們做過一個計算，一根火柴劃一下大概有1017個光子，而衛星地面站的探測能力，相當於在地球上的人不用任何儀器，要發現在月亮上有人划了一根火柴。「此外，還要在每秒一億個光子裡面，搞明白我們探測到的是第幾個光子，這些光子都是排好隊的，抓一個就要知道它是第幾個，這樣才能用來做密鑰。而這對於量子通信的諸多難題而言，只是非常簡單的一個小細節。」王建宇說。

爭分奪秒鋪就量子通天長路

面對這一深刻影響未來的科技競爭，傳統科技強國都在積極整合各方面的研究力量和資源，力爭在量子信息技術大規模應用方面佔據先機。

全球最大的獨立科技研發機構美國Battelle公司提出了商業化的廣域量子通信網路規劃，並考慮建造環美國的萬公里量子通信骨幹網路，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數據中心之間提供量子通信服務；韓國SK電訊提出了環韓國量子通信幹線規劃；俄羅斯也計劃投資量子通信…….

為此，我國進一步發力。國家發改委最近正式啟動國家廣域量子保密通信骨幹網路建設項目，計劃通過10年左右的努力，建成面向「一帶一路」、服務國家戰略需求、規模最大、技術最先進的總里程約3.5萬公里的量子保密通信互聯網。

中科院在前期基礎上，進一步整合統籌全國高校、科研院所和相關企業的創新要素和優勢資源，最終形成聚焦國家長遠目標和重大需求的原創性、集成性科技創新成果，培育形成戰略性新興產業。

2018年，量子通信的未來已來，重任在肩，目標已定：

——研製中高軌量子通信衛星，量子密鑰分發量滿足機要部門業務化運行的需求；

——為新一代信息基礎設施「國家廣域量子保密通信骨幹網」的建設提供堅實的技術支撐，滿足金融、政務、電力、電信等行業專網應用需求，實現核心量子通信器件的全面國產化，形成系統性量子通信國家技術標準，參與並主導國際技術標準制定。

與此同時，面向構建覆蓋全球的量子通信網路遠期目標，我國正計劃建設業務化運行的量子密碼衛星網路，將發射多顆低軌量子通信衛星組成量子星座，提供覆蓋全球的量子密碼分發服務，量子保密通信服務將從二維平面擴展到三維空間，星地量子密鑰分發的實用化和規模化應用正加速到來。

誠如量子通信團隊的一幅新春對聯：前仆後繼展天地通信雄姿，爭分奪秒鋪量子通天長路。

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