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

【導語】“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……中國科技創(chuàng)新的步伐從未停止。正如習近平總書記所說，一切偉大成就都是持續(xù)奮斗的結果，一切偉大事業(yè)都需要在繼往開來中推進。新時代必將是大有可為的時代。

根據(jù)量子力學理論，兩個處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠，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，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)。這樣的性質在通信領域有著誘人的應用場景，作為迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式，量子通信技術已成為全球科技大國激烈角逐的焦點。

中國在量子通信領域的發(fā)展極為迅速，目前已達到世界頂尖水平，領先歐美國家。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)三大科學目標；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)遠程傳輸，向構建全球化量子信息處理和量子通信網(wǎng)絡邁出重要一步。

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，并設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。“就像國外有伽利略衛(wèi)星、開普勒望遠鏡一樣，以中國古代偉大科學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?！敝袊茖W院院士、中國科學技術大學教授潘建偉這樣闡釋。

以墨子命名的“墨子號”量子科學實驗衛(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域的最大挑戰(zhàn)和國際學術界幾十年來奮斗的共同目標。

2003年，中國科學技術大學潘建偉團隊率先開展遠距離自由空間量子通信實驗研究。 2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導科技專項“量子科學實驗衛(wèi)星”正式立項。2013年，中科院聯(lián)合研究團隊在青海湖實現(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，該團隊經(jīng)過艱苦攻關，最終成功研制了“墨子號”量子科學實驗衛(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實驗。

2016年11月26日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛(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的研究熱潮。國際權威期刊《自然》雜志對此評價道，“墨子號”研究成果標志著中國在量子通信領域的崛起，將領先于歐洲和北美。在《科學美國人》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)新技術入選2016年度“改變世界的十大創(chuàng)新技術”。量子力學世界級大師塞林格這樣評價潘建偉團隊的成果：中國如今在量子保密通信領域的成就，“愛因斯坦一定會對此感到驚訝”，“因為這些量子力學理論，比如量子糾纏，現(xiàn)在已經(jīng)真的進入實際應用，這超出了愛因斯坦的預期。”

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)新中心內的量子模擬實驗室，工作人員正在調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)量子力學理論，對任意一個未知的量子態(tài)進行完全相同的復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、中國科學技術大學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，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”，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉表示，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)展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡體系。

中國量子通信領跑世界

2016年12月10日，在西藏阿里觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛(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)絡奠定了基礎；

“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基本問題檢驗的既定科學目標后，還在空間量子科學實驗的其他方向展開了探索工作，利用上行量子信道，對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗，邁出了探索量子力學與廣義相對論相融合的實驗檢驗的第一步；

將量子通信技術與量子精密測量技術相結合，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研究的可行性……這些空間量子科學實驗成果使我國第一次在空間量子科學研究領域走到了世界最前列，牢牢占據(jù)了空間量子科學研究領域的主導和引領地位。

當前，對于量子科技領域的戰(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問題和關鍵核心技術突破，令國際科學界為之矚目。在這場關于科技的激烈競逐中，中國已經(jīng)按下了創(chuàng)新“快進鍵”。

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