2016 量子通信這一年

　　2016年，通信技術(shù)發(fā)展飛速的一年，第五代移動通信技術(shù)(5G)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT、NB-IoT)、云計算和量子通信都飛速發(fā)展。通過這一年，各技術(shù)發(fā)展更加成熟。其中，論發(fā)展最迅速的當(dāng)屬量子通信。從實(shí)驗室走進(jìn)生活，從理論研究到量子干線建設(shè)、量子衛(wèi)星的發(fā)射，今年可謂是一個量子通信應(yīng)用發(fā)展元年。

　　2016年1月，郭光燦院士宣布100公里內(nèi)光纖網(wǎng)絡(luò)量子密碼基本上已可以實(shí)際應(yīng)用，正處于試用階段。郭光燦院士在題為《奇妙的量子世界》的演講中，從量子世界的奇異特性、量子計算機(jī)、量子密碼以及量子世界的奧秘等方面介紹了科學(xué)界對于量子理論與實(shí)驗的探討過程，以及量子理論在實(shí)際生活中的應(yīng)用;著重介紹了量子密碼與量子計算機(jī)在未來科技中所扮演的重要角色，以及量子技術(shù)在信息安全、文件傳輸、數(shù)據(jù)儲存方面的應(yīng)用。

　　一次一密可以做到無條件安全，問題是如何分配密鑰。郭光燦指出，現(xiàn)在我們可以靠量子密碼來解決這個問題。量子密碼是利用信息載體(例如光子等粒子)的量子特性，以量子態(tài)作為符號描述的密碼。利用量子的性質(zhì)，量子的不確定性和概率性，可以規(guī)避經(jīng)典密碼中的短板。

　　2016年3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室在新型量子比特編碼方面取得新進(jìn)展。該實(shí)驗室郭國平研究組及合作者首次在砷化鎵半導(dǎo)體量子芯片中成功實(shí)現(xiàn)量子相干特性好、操控速度快、可控性強(qiáng)的電控新型編碼量子比特，研究成果已經(jīng)發(fā)表在《物理評論快報》上。

　　該研究組致力于半導(dǎo)體量子芯片的開發(fā)，沿著電荷編碼量子比特實(shí)現(xiàn)超快量子計算路線圖，在先后實(shí)現(xiàn)電荷編碼超快普適單量子比特邏輯門[Nature Communications 4， 1401(2013)]和兩量子比特控制非邏輯門[Nature Communications 6， 7681(2015)]的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索延長電荷編碼比特相干時間的新方法，在保證量子比特超快操控速度的同時，獲得與自旋編碼量子比特同樣的長相干特性，實(shí)現(xiàn)量子比特超快操控與長相干時間兼得，從而解決在比特相干時間內(nèi)盡可能多地完成量子操控這一核心問題。

　　2016年3月，斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種新型量子光源，它或許能夠成為未來量子通信的基礎(chǔ)。該研究團(tuán)隊在《自然·光子學(xué)》上發(fā)布了他們的這項研究成果。要想建立量子網(wǎng)絡(luò)，并以量子通信為標(biāo)準(zhǔn)通信方式，其中最關(guān)鍵的一個是如何收發(fā)量子數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家利用類似于降噪耳機(jī)的原理，制造出了可以消除雜光輸出單個光子的光源。

　　這張放大的效果圖中顯示了砷化鎵(GaAs)芯片的結(jié)構(gòu)。下方的粉紅色錐形表示入射的經(jīng)典激光。中間的藍(lán)色區(qū)域表示砷化銦(InAs)，當(dāng)經(jīng)典激光通過的時候會產(chǎn)生單個光子。上方的粉紅色錐形和藍(lán)色錐形分別表示射出的經(jīng)典激光和單光子，借助單光子便可以實(shí)現(xiàn)絕對安全的保密通信。Jelena Vuckovic是這篇文章的主要作者(senior author)，她是斯坦福大學(xué)電氣工程專業(yè)的教授，近年來正在研究納米尺寸激光源以及相關(guān)的量子技術(shù)。她希望將傳統(tǒng)計算機(jī)中依靠電信號通信的方式改進(jìn)為光信號通信，從而提高計算機(jī)的通信速率。她帶領(lǐng)博士生Kevin Fischer等人改進(jìn)了一種納米激光源，使其可以高效地產(chǎn)生單光子，用于量子通信。借鑒了20世紀(jì)30年代的無線電技術(shù)，用“干涉相消”的方法抵消掉了多余的經(jīng)典光。他們首先研究清楚這些雜光的波形，然后人為制造出波形相似但相位不同的光，通過精密的調(diào)節(jié)使兩種光疊加抵消，于是雜光便得以消除，有意義的單光子信號則顯露出來。這是一項重大進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)量子通信奠定了基礎(chǔ)。

　　2016年7月，“十三五”國家科技專項量子通信和5G被“點(diǎn)名”。

　　由總理李克強(qiáng)主持的國務(wù)院常務(wù)會議，通過“十三五”國家科技創(chuàng)新專項規(guī)劃，布局建設(shè)一批重大科技設(shè)施，當(dāng)中包括量子通訊、精準(zhǔn)醫(yī)療等重點(diǎn)領(lǐng)域啟動一批新的重大科技項目，強(qiáng)化種業(yè)、煤炭清潔高效利用、第五代移動通訊(5G)、智能機(jī)器人等重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)，加強(qiáng)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和運(yùn)用。量子通訊作為近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。

　　2016年8月，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。這將使我國在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗體系。作為量子通信領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國，中國正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者。

　　我國自主研發(fā)的量子衛(wèi)星突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括高精度跟瞄、星地偏振態(tài)保持與基矢校正、星載量子糾纏源等。量子衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌運(yùn)行，將有助于我國在量子通信技術(shù)實(shí)用化整體水平上保持和擴(kuò)大國際領(lǐng)先地位，實(shí)現(xiàn)國家信息安全和信息技術(shù)水平跨越式提升，有望推動我國科學(xué)家在量子科學(xué)前沿領(lǐng)域取得重大突破，對于推動我國空間科學(xué)衛(wèi)星系列可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

　　2016年10月，在中國量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展峰會上，量子通信中國科學(xué)院院士、通信與量子技術(shù)專家尹浩則進(jìn)一步提及，到2020年，區(qū)域量子通信網(wǎng)絡(luò)可成熟應(yīng)用，天地一體的量子通信網(wǎng)絡(luò)則可在2030年投入應(yīng)用。此舉意味著，中國擁有了一支潛心于將量子技術(shù)、科研成果產(chǎn)業(yè)化的“國家隊”。這使得在量子通信領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)投入和實(shí)踐的企業(yè)備受關(guān)注。

　　2016年10月，18日將是量子通信產(chǎn)業(yè)的“好日子”，全球第一條量子通信商用干線“滬杭干線”(浙江段)屆時宣布開通。這也標(biāo)志著量子通信產(chǎn)業(yè)市場化運(yùn)營大幕開啟。量子通信有國家政策的支持和先進(jìn)技術(shù)的支撐，社會資本進(jìn)入的意愿也非常強(qiáng)烈，產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入黃金時代。

　　據(jù)介紹，“滬杭干線”總長約260公里，途徑上海秀浦路、漕河涇、大港、嘉興東、桐鄉(xiāng)、杭州6個中繼站。浙江段的建成被業(yè)內(nèi)人士看作是中國量子通信網(wǎng)絡(luò)完善的開端。未來一兩月內(nèi)，“滬杭干線”將全線貫通。“滬杭干線”和“京滬干線”一樣，都是未來量子通信網(wǎng)絡(luò)里的重要組成部分。區(qū)別在于：“京滬干線”實(shí)現(xiàn)了從無到有的改變，“滬杭干線”則是進(jìn)一步優(yōu)化的產(chǎn)物，尤其是在商用價值的探索上。未來，“滬杭干線”還可能與“京滬干線”接通。

　　2016年11月，由該市政府、中國航天科工集團(tuán)第四研究院共同主辦的激光技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新論壇上，相關(guān)各方簽署《量子保密通信“武合干線”項目框架協(xié)議》。不久的將來，武漢市民能體驗絕密級的通信方式。

　　“武合干線”(武漢-合肥量子保密通信干線)是國家“量子保密通信京滬干線”項目的首條商業(yè)延伸線，將是我國量子保密通信骨干網(wǎng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)量子保密通信服務(wù)與長江中游城市群和建設(shè)武漢城市圈節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)工程。

　　量子通信作為一項新技術(shù)，要從實(shí)驗室走出來，實(shí)現(xiàn)市場化、產(chǎn)業(yè)化并非一朝一夕之事。相對于傳統(tǒng)通信，量子通信應(yīng)用的較高成本，以及配套設(shè)施尚未完善，成為其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的挑戰(zhàn)。我國量子通信科研雖然起步晚于國外，但大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用走在世界前列。量子通信被納入《規(guī)劃》所培育發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，體現(xiàn)出國家對重點(diǎn)發(fā)展量子通信的決心。事實(shí)上，中國的量子通信技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界頂尖水平，領(lǐng)先歐美國家不止一個身位。