【创新】从零到一：中国量子信息技术领跑世界（上）

来源：江苏省科协

量子力学诞生一百多年来，虽然让人难以理解，却不断得到实验的支撑，催生了原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位系统等，改变了世界的面貌。但对量子纠缠的应用，最近才刚刚开始，这个现象在量子计算和量子通信中都有很大的应用前景。

两个处于纠缠态的量子，无论相隔多远，改变其中一个后，另一个马上就会发生相应变化，连光速都没有这么快。究竟是什么样的物质才会超越时空，发生如此神奇的“心灵感应”？

爱因斯坦的“幽灵”——量子纠缠

“幽灵般的超距作用”，这是著名物理学家爱因斯坦在1947年3月给另一位著名科学家玻恩的信中，对量子纠缠的看法。这时，从1900年出现“量子”的概念算起，量子力学已经面世近半个世纪。但是一些相关理论仍未被科学界广泛接受，连爱因斯坦这样的顶尖人物，也用“幽灵”这样的词语来形容量子纠缠。

量子这个概念，是著名物理学家普朗克在1900年的论文《黑体光谱中的能量分布》中提出来的。他发现，要能解释一些实验现象，必须假定能量在发射和吸收的时候不是连续不断，而是由一个个的“量子”组成。所以，量子不同于分子、原子、电子等粒子，它的本意只是一个数学概念，即“离散变化的最小单元”。

量子计算可以说是一把“利矛”。量子可以处于多个状态，以及互相纠缠的特性，使得量子计算机有强大的计算能力。有观点认为，在量子计算机真正面世后，传统计算机需要100年才能破解的问题，量子计算机可能仅需1秒，可以解决很多传统计算机难以解决的问题。这也意味着当前国防、金融等领域使用的传统密码体系会在短时间内被攻破，机密无所遁形。

中国科学技术大学研究人员在2017年报告说，其利用10个光量子的纠缠，开发出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算原型机，被誉为是量子计算领域的“埃尼亚克”。不过，这离通用量子计算机还有距离，目前还没任何一家机构宣布能让量子计算机的计算能力超过经典计算机，即实现所谓的“量子霸权”。

量子通信则可以说是一面“坚盾”。基于数学问题计算复杂度的传统密码体系可能被量子计算机攻破，但量子通信则是基于物理原理，提供了无法窃听的保密通信方式。比如两个处于纠缠态的量子，将它们分置两地，在一个地方进行测量的时候，另一个地方可以瞬时得知相应结果，再结合其他一些手段就能进行通信。如果要窃听的话，一测量就会导致量子态的突变，马上就会被发现。

世界首个光量子电话网——三生万物的开始

2008年，在北京奥运会吸引全世界目光的时候，很少有人注意到在安徽省的合肥市，诞生了一项具有深远影响、将被载入史册的成果：中国科学技术大学、杏林苑、滨湖新区这三个地方被光纤连接起来，组成了世界首个可实用的光量子电话网。

三生万物。从这个3节点链状网开始，发展出46节点的合肥城域网、横跨2000公里的量子通信“京沪干线”，一直到飞上太空的世界首颗量子卫星，实现量子通信的“天地一体化”。那么，这具有历史意义的第一步是怎样迈出的呢？

自从信息技术兴起以来，科研人员发现，将量子理论的某些特点应用于通信，可以起到绝对保密的效果。但正如人们从认识到烧水时的水蒸气会顶起壶盖，到发明可实用的蒸汽机之间走了很长的路。从量子密码技术的基本原理到真正实现量子保密通信，也要迈过一道道坎。

要迈过这些坎，首先是理论突破。2003年韩国学者黄元英教授提出了诱骗态的技术，即采用不同强度的弱光脉冲，把多光子成分估计得更准，使得传输距离大幅度提高。2006年，中国科学技术大学潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学-维也纳大学联合研究小组各自独立证实了诱骗态理论，同时实现了较长距离的诱骗态量子密钥分发实验。这三个实验同时发表在著名物理学国际期刊《物理评论快报》上，打开了量子通信走向应用的大门。

潘建伟团队继续针对量子通信实用化进行攻关，研制成功量子电话样机。2008年，研究团队在合肥当时已有商业光纤网络的基础上，将中国科学技术大学、杏林苑、滨湖新区这3个点连接起来，在滨湖新区设立发送器，在杏林苑设有接收器，而在中科大同时设有发送器和接收器。

这个实验的关键之处在于，相关节点的间距达到20公里，超出过去实验室中的量子通信距离。在这个网络上，研究团队实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话和3方对讲机功能，真正做到了“电话一拨即通、语音实时加密、安全牢不可破”的量子保密电话。这些在量子通信实用化及其网络化核心技术方面的突破，表明实现量子通信技术产业化的时机已经到来。

世界首批城域量子通信网——从合肥到济南

在量子通信从实验室走向实际应用的过程中，合肥和济南成为两个走在前列的城市，它们先后建成了量子通信城域网，后来也成为量子通信“京沪干线”中的两个重要枢纽。

似乎是契合四年一度的奥运周期，中国科研人员在召开北京奥运的2008年建成全球首个3节点量子电话网后，在举行伦敦奥运的2012年又拿下了一个世界纪录，建成了有46个节点的合肥城域量子通信试验示范网，这是全球首个规模化量子网络。

安徽省省会合肥可谓是近水楼台先得月，凭借中国科学技术大学坐落于此的优势，成为全球首个建设大规模量子通信网的城市。合肥城域量子通信示范网是2010年安徽省重大科技攻关项目、合肥市自主创新重大项目，2010年7月开工，一开始就提出了“首个开工、首个建成、首个使用”的目标。网络覆盖合肥市主城区，用户涵盖省市政府机关单位、金融机构、军工企业、研究院所等，具有网络扩容能力，能够提供量子安全下的实时语音通信、实时文本通信及文件传输等功能。

“量子通信网络里，用户和普通网络用户的操作没有任何区别。打电话、发邮件、传输文件等都完全可以。但是绝对不需要担心信息被盗。”时任中国科技大学科技处副处长王兵说。合肥城域量子通信试验示范网的46个节点中包括政府机关、金融机构、军工企业、研究院所等诸多涉密敏感单位，在量子通信的保障下，这些用户传递的信息内容就会不可窃听、不可复制或不可破译。

合肥城域量子通信试验示范网的另一个重大意义是，成为量子通信规模化应用的试验床。建设团队成员、时任中科院量子技术与应用研究中心副主任赵勇说，在之前有关量子通信的基础研究做足后，拥有一个产品和技术的试验床，就显得有点迫切，“我们需要一个具有稳定性和安全性的更大的平台来检测通信，同时积累量子通信网络的建设和运维经验”。

如果说合肥城域量子通信试验示范网是一个技术试验床，那么紧随其后建设的济南量子通信试验网则是面向用户日常应用的、更加贴合不同使用单位需求的量子通信网络。2011年，在合肥示范网仍在建设的时候，有关各方就已经开始了济南试验网的布局。量子通信网络在济南的铺开有明显的阶段性特点，每个阶段都满足特定用户的需求。2013年，济南量子保密通信试验网建成投入使用，山东省50个省直机关事业单位、金融机构实现了语音电话、传真、文本通信和文件传输等量子保密传输业务。显然，这一阶段的网络以特殊保密单位为主要服务对象。

据介绍，济南量子通信试验网总投资1.22亿元，包括3个集控站、50个用户节点，可以为用户提供高效率、绝对安全的保密通信。这是我国第一套实用化的大型量子通信城域网，也是当时世界上量子节点、用户数量、业务种类和密钥发放最多、规模最大的量子试验网。

到了2017年，济南量子通信试验网已发展成世界上首个大型商用量子通信专网。济南城区8个主要位置已被量子通信专网覆盖，区域内所有用户之间的通信实现了每秒产生4000多个密钥的数据加密保护。这个网络已能为100多个用户提供基于量子加密的电话、传真、文件和文本通信业务。于是，济南和合肥一起，成为中国量子通信“京沪干线”中的重要枢纽。

来源：江苏科技报

编辑：谢长美