量子通信：让信息传输无条件安全

“墨子”进行了量子密钥分配。这是2017年5月在乌鲁木齐南山拍摄的。几张照片合成了卫星传输全景。中国绘画科学院

3月3日，第十三届CPPCC全国委员会第一次会议的第一个“会员频道”在人民大会堂北大厅举行。中国人民政治协商会议全国委员会委员、中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟在“成员通道”中说，量子通信可以提供一种安全的信息传输方式，原则上不能被破解或窃听。它在国防、政务、金融和个人信息保护方面发挥了积极作用。通过我们未来5-10年的努力，我们希望建立一个集成的量子安全通信网络来保护成千上万家庭的信息安全。

从理想王国到现实王国

2018年1月21日，“2017科技颁奖典礼”在央视演播室大厅隆重举行。潘剑伟的“全球量子通信技术研究团队”被选为年度科技创新团队。中国科学院院长白春礼为该团队颁奖。

经过十多年的合作研究，“全球集成量子通信技术研究团队”在全球集成量子通信技术方面取得了重大突破。我们独立研制了世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子”，这是世界上第一颗实现1000公里级别的星地量子通信的卫星，从而成功地实现了所有既定的科学目标。国家量子保密通信京沪干线已通过技术验收，使中国的量子通信研究水平在世界上处于全面领先地位。中国和奥地利结合“京沪主线”和“墨子”的天地链路，在世界上首次成功实现了7600公里的洲际量子密钥分发，标志着天地一体化广域量子通信网络雏形的形成。用潘剑伟的话来说，1000公里范围内恒星和地球之间的双向量子通信终于“从理想王国走向了现实王国”。

上述“量子通信”是一种利用量子比特作为信息载体传输信息的通信技术，它可以突破传统信息技术在保证信息安全和增加信息传输容量方面的限制。量子通信有两个最典型的应用，一个是量子密钥分配，另一个是量子隐形传态。量子密钥分发克服了传统加密技术固有的安全风险，是迄今为止唯一被严格证明为无条件和原则上安全的通信方法。它可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全传输问题。

这种听起来“神秘”的“黑色技术”正在影响我们的现在和未来——由中国科学家自主研发的量子通信设备为60周年国庆阅兵、党的第18次和第19次全国代表大会、纪念抗日战争胜利70周年阅兵等重要的国家政治活动提供了信息安全。银监会提交的银行业监管信息、中国人民银行人民币跨境收付信息管理系统、中国工商银行网上银行数据远程容灾系统、阿里巴巴商业数据加密传输均采用量子安全通信技术。

这相当于把硬币扔进一万米高的存钱罐。

中国量子通信团队取得了举世瞩目的重要成就。在这个过程中他们遇到了什么样的技术困难？

潘剑伟说，在量子通信技术的研发中，首先要面对的是制备单个光学量子的技术问题。他举了一个非常生动的例子来解释这一关键技术的难度:一个普通的15瓦灯泡每秒钟能发射数十亿个光量子。要实现单个光量子的制备就像在光量子发射的瞬间捕获数十亿个光量子中的一个，技术难度可以想象。另一个困难是单光子探测。单光子已经是光能的最小单位，而且能量很弱。有必要发展非常精确和有效的单光子探测技术。只有具备制备和检测单个光量子的能力，才能实现安全的量子通信。这只是指地面量子通信，实现量子卫星与地面的星地通信更加困难。

"简单地谈几件事，你就会大致明白它有多难."量子通信技术研究小组的王建宇教授讲述了墨子卫星的困难。“例如，一个1000公里高的光子应该被发射到地面站，这就像在一架以10000米的高速飞行的飞机上，同时把硬币扔进两个细长的存钱罐，存钱罐上有旋转的硬币槽。存钱罐的槽又长又细，相当于光的偏振。它有方向。只有方向正确，硬币才能扔进去，而不是一枚。双方必须同时准确投掷。”王建宇说，他们已经计算出一场比赛中大约有1017个光子。卫星地面站的探测能力相当于地球上的人不需要任何仪器就能发现有人在月球上划了一根火柴。“此外，在每秒1亿个光子中，我们需要找出我们检测到的是哪一个光子。这些光子都排成一行。如果我们抓到一个，我们需要知道它是哪个光子，这样我们就可以用它作为钥匙。然而，对于量子通信中的许多难题来说，这只是一个非常简单的小细节。”王建宇说。

与时间赛跑，为量子通信铺平道路

面对将深刻影响未来的科技竞争，传统科技强国正在积极整合各种研究力量和资源，力争在量子信息技术的大规模应用中处于领先地位。

全球最大的独立科技研发机构巴特尔(Battelle)提出了广域量子通信网络的商业计划，并正在考虑在美国各地建设一个10，000公里的量子通信主干网，以在谷歌、IBM、微软、亚马逊和其他公司的数据中心之间提供量子通信服务。韩国SK电信提出了一项围绕韩国的量子通信干线计划。俄罗斯也计划投资量子通信...。

为此，我国作出了进一步努力。国家发展和改革委员会近日正式启动了全国广域量子保密通信骨干网建设项目。计划建设一个总里程约3.5万公里的量子安全通信互联网，面向“一带一路”，服务国家战略需要，规模最大，技术最先进。

中国科学院在前一阶段的基础上，进一步整合和协调全国高校、科研院所和相关企业的创新要素和优势资源，最终形成以国家长远目标和重大需求为重点的原创性、综合性科技创新，培育和形成战略性新兴产业。

2018年，量子通信的未来已经到来。重要的任务在肩上。目标是:

——发展中高轨道量子通信卫星，量子密钥分发量满足保密部门业务运营的需要；

——为建设新一代信息基础设施“全国广域量子安全通信骨干网”提供坚实的技术支撑，满足金融、政务、电力、电信等行业专用网络的应用需求，实现核心量子通信设备的全国产化，形成系统量子通信的国家技术标准，参与并牵头制定国际技术标准。

与此同时，面对建设全球量子通信网络的长远目标，中国正计划建设一个商用量子密码卫星网络，该网络将发射多颗低轨道量子通信卫星，形成一个量子星座，提供全球量子密码分发服务。量子保密通信服务将从二维平面扩展到三维空间。星地量子密钥分发的实际和大规模应用正在加速。

就像春节量子通信团队的一副对联:一个接一个，展现了世界通信的辉煌，争分夺秒为量子通信铺路。