這就是中國優(yōu)勢 | 科技優(yōu)勢（十一）量子通信：中國領(lǐng)跑全球“量子夢”

【導(dǎo)語】“可上九天攬月，可下五洋捉鱉，談笑凱歌還?！边@是一種豪情與詩意，也是當(dāng)今中國正創(chuàng)造的奇跡。中國人對未知的好奇、對探索的渴望、對困境的思考以及對美好未來的期待，推開了一扇扇嶄新世界的大門：空間探測、生物醫(yī)藥、人工智能、量子科學(xué)……中國科技創(chuàng)新的步伐從未停止。正如習(xí)近平總書記所說，一切偉大成就都是持續(xù)奮斗的結(jié)果，一切偉大事業(yè)都需要在繼往開來中推進(jìn)。新時代必將是大有可為的時代。

根據(jù)量子力學(xué)理論，兩個處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都可以保持一種“幽靈般的超距作用”——兩個粒子的狀態(tài)密切相關(guān)，只要測定其中一個粒子，就能獲知另一個粒子在此刻的狀態(tài)。這樣的性質(zhì)在通信領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用場景，作為迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無條件安全的通信方式，量子通信技術(shù)已成為全球科技大國激烈角逐的焦點。

中國在量子通信領(lǐng)域的發(fā)展極為迅速，目前已達(dá)到世界頂尖水平，領(lǐng)先歐美國家。近年來，中國多次創(chuàng)造量子比特糾纏數(shù)量的世界紀(jì)錄；發(fā)射世界首顆量子實驗衛(wèi)星“墨子號”，實現(xiàn)千里糾纏、星地傳密、隱形傳態(tài)三大科學(xué)目標(biāo)；開通世界首條量子保密通信干線“京滬干線”，實現(xiàn)世界首次洲際量子保密通信；首次實現(xiàn)地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，向構(gòu)建全球化量子信息處理和量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出重要一步。

2016年8月16日，全球首顆用于量子通信研究的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。（圖源：新華社）

“墨子號”開啟量子的世界

墨子在兩千多年前就發(fā)現(xiàn)了光線沿直線傳播，并設(shè)計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。“就像國外有伽利略衛(wèi)星、開普勒望遠(yuǎn)鏡一樣，以中國古代偉大科學(xué)先賢的名字來命名全球首顆量子衛(wèi)星，將提升我國的文化自信。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉這樣闡釋。

以墨子命名的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，其作用在于探索量子通信衛(wèi)星的可行性。由于量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀(jì)錄只有百公里量級。因此，如何實現(xiàn)安全、長距離、可實用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學(xué)術(shù)界幾十年來奮斗的共同目標(biāo)。

2003年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊率先開展遠(yuǎn)距離自由空間量子通信實驗研究。 2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正式立項。2013年，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊在青海湖實現(xiàn)了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實驗，全方位驗證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，該團(tuán)隊經(jīng)過艱苦攻關(guān)，最終成功研制了“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。“墨子號”衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過4個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學(xué)實驗。

2016年11月26日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星過境，科研人員在做實驗。（圖源：新華社）

“墨子號”的成功為人類探索遠(yuǎn)距離量子通信提供了新平臺，同時也激發(fā)了國際空間量子科學(xué)的研究熱潮。國際權(quán)威期刊《自然》雜志對此評價道，“墨子號”研究成果標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，將領(lǐng)先于歐洲和北美。在《科學(xué)美國人》的評選中，“墨子號”量子衛(wèi)星作為唯一誕生于美國本土之外的創(chuàng)新技術(shù)入選2016年度“改變世界的十大創(chuàng)新技術(shù)”。量子力學(xué)世界級大師塞林格這樣評價潘建偉團(tuán)隊的成果：中國如今在量子保密通信領(lǐng)域的成就，“愛因斯坦一定會對此感到驚訝”，“因為這些量子力學(xué)理論，比如量子糾纏，現(xiàn)在已經(jīng)真的進(jìn)入實際應(yīng)用，這超出了愛因斯坦的預(yù)期?！?/p>

量子通信到底有多安全？

2016年5月25日，在中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心內(nèi)的量子模擬實驗室，工作人員正在調(diào)試超冷原子光晶格平臺的激光伺服系統(tǒng)。（圖源：新華社）

現(xiàn)在被認(rèn)為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個傳輸被認(rèn)為是安全的。但隨著科技發(fā)展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，我們就能夠竊聽光纜傳遞的信號。這是因為經(jīng)典通信的信號只有0和1，發(fā)生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。如兩人打電話時，他人可通過竊聽器，從通信線路中的上千萬個電子中分離出一些電子，使其進(jìn)入另一根線路，從而實現(xiàn)竊聽，而通話者無法察覺。

量子通信則完全不會出現(xiàn)這個問題。除了因為量子信號有0、1、0+1、0-1等量子疊加態(tài)，還因為量子由這種疊加態(tài)而產(chǎn)生的不可克隆原理。 根據(jù)量子力學(xué)理論，對任意一個未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制的過程是不可實現(xiàn)的。也就是說，量子信號一旦被竊聽，量子疊加態(tài)就會受到擾動，有可能“塌縮”成另一個量子態(tài)。這樣一來，通信雙方能立即察覺。

這個方式到底有多安全呢？中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心成員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院副研究員張文卓表示，“只要因果性成立，只要信息傳遞不超過光速，時間不逆轉(zhuǎn)，比如我們回不到過去，這個通信方式就是無條件安全的”。

量子通信的產(chǎn)業(yè)化方向主要在“保密通信”，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉表示，量子保密通信是在傳統(tǒng)通信中使用量子密鑰以提升安全性，它并不是要取代現(xiàn)有的通信方式，而是以一種新的途徑來大幅提高現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。

中國量子通信領(lǐng)跑世界

2016年12月10日，在西藏阿里觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星過境，科研人員在做實驗（合成照片）。（圖源：新華社）

近年來，中國科研人員利用“墨子號”量子衛(wèi)星在國際上率先完成了一系列具有開創(chuàng)意義的星地量子科學(xué)實驗。

這些實驗包括：完成了星地量子密鑰分發(fā)、北京到維也納的洲際量子密鑰分發(fā)、基于糾纏的無須可信中繼量子密鑰分發(fā)，并進(jìn)一步在量子保密通信京滬干線與“墨子號”量子衛(wèi)星之間成功實現(xiàn)了對接，驗證了星地廣域量子通信的可行性；

實現(xiàn)了星地雙向量子糾纏分發(fā)實驗，觀察到了星地間千公里距離的嚴(yán)格滿足愛因斯坦定域性條件的貝爾不等式的破缺，驗證了空間尺度量子糾纏的存在和量子力學(xué)基本原理的正確性；

完成了首個地星量子隱形傳態(tài)以及星地量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，證明了在地星千公里距離上能夠完成量子比特的傳輸，為全球化量子信息處理網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)；

“墨子號”地星量子隱形傳態(tài)實驗，2016年11月攝于西藏阿里，星上綠色信標(biāo)光將空中的薄云照亮。（圖源：新華社）

在完成了廣域量子通信和量子力學(xué)基本問題檢驗的既定科學(xué)目標(biāo)后，還在空間量子科學(xué)實驗的其他方向展開了探索工作，利用上行量子信道，對一類預(yù)言引力場導(dǎo)致量子退相干的理論模型進(jìn)行了實驗檢驗，邁出了探索量子力學(xué)與廣義相對論相融合的實驗檢驗的第一步；

將量子通信技術(shù)與量子精密測量技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了星地安全時頻傳輸實驗，驗證了在空間尺度開展廣域光頻標(biāo)研究的可行性……這些空間量子科學(xué)實驗成果使我國第一次在空間量子科學(xué)研究領(lǐng)域走到了世界最前列，牢牢占據(jù)了空間量子科學(xué)研究領(lǐng)域的主導(dǎo)和引領(lǐng)地位。

當(dāng)前，對于量子科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局已成全球共識，中國近幾年取得了一系列重要的科學(xué)問題和關(guān)鍵核心技術(shù)突破，令國際科學(xué)界為之矚目。在這場關(guān)于科技的激烈競逐中，中國已經(jīng)按下了創(chuàng)新“快進(jìn)鍵”。

(資料來源：中國科學(xué)院、環(huán)球科學(xué)、新華社、人民網(wǎng)、光明日報、科技日報)