量子通信離我們還有多遠(yuǎn)？產(chǎn)業(yè)化正計(jì)劃推進(jìn)

　　中國

　　基礎(chǔ)研究一流，產(chǎn)業(yè)化正有計(jì)劃推進(jìn)

　　中國涉足量子通信研究的時(shí)間與西方國家相當(dāng)。1997年，中國科學(xué)家潘建偉即參加了在奧地利進(jìn)行的“量子態(tài)的隱形傳輸”試驗(yàn)，該試驗(yàn)堪稱國際上首次實(shí)現(xiàn)，對(duì)量子通信至關(guān)重要。其研究論文在世界權(quán)威刊物一經(jīng)發(fā)表，便很快被公認(rèn)為是量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作。過去10余年中，潘建偉研究團(tuán)隊(duì)對(duì)量子通信領(lǐng)域的開創(chuàng)性探索貢獻(xiàn)突出：一是在2004年、2007年和2012年曾先后分別實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏態(tài)、六光子糾纏態(tài)、八光子糾纏態(tài)的制備與操縱，都居于世界第一位次，連續(xù)刷新了世界紀(jì)錄，同歐美國家近一兩年才實(shí)現(xiàn)的五光子、六光子制備拉開了很長一段距離。二是很好地完成了長程量子通信中緊需的“量子中繼器”的實(shí)驗(yàn)與制作，為向未來廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)直至全球網(wǎng)絡(luò)的最終實(shí)現(xiàn)邁出了最重要步驟。三是對(duì)遠(yuǎn)距離量子通信與空間尺度量子實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證，接連實(shí)現(xiàn)了一個(gè)又一個(gè)長距離量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和雙向糾纏分發(fā)，為基于衛(wèi)星的廣域量子通信以及大尺度量子計(jì)算、量子信息技術(shù)應(yīng)用與實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)底基。

　　合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)于2010年年中啟動(dòng)建設(shè)，一年多后建成。試運(yùn)行證明，各項(xiàng)功能、指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)定要求。該項(xiàng)目已于2012年年初正式有計(jì)劃、分步驟地投入了工程應(yīng)用。合肥量子通信網(wǎng)的建成使用，標(biāo)志著我國繼量子信息基礎(chǔ)研究躋身全球一流水平后，又在量子信息技術(shù)先期產(chǎn)業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)中邁出了重要的一步。除在中部安徽建立量子通信合肥及蕪湖城域網(wǎng)外，我國還在濟(jì)南這座東部城市實(shí)施了量子通信網(wǎng)的建設(shè)。安徽是全國首先將量子通信技術(shù)投向產(chǎn)業(yè)化的省份，皖魯兩地亦會(huì)表現(xiàn)出各有特色、彼此分工聯(lián)動(dòng)態(tài)勢(shì)。其推出的量子通信類核心產(chǎn)品業(yè)已通過中試、形成系列產(chǎn)品，正在逐步推向市場(chǎng)。

　　按照我國量子通信研發(fā)、推廣預(yù)定計(jì)劃，北京、上海以及最邊遠(yuǎn)的新疆烏魯木齊等城市也在陸續(xù)抓緊城域量子通信網(wǎng)的建設(shè)。這幾處城域網(wǎng)的建成，以及同合肥、濟(jì)南城域網(wǎng)的呼應(yīng)與配合，將初步形成面向全國架構(gòu)的局面。再經(jīng)幾年過渡，越來越多的城市都將會(huì)利用量子衛(wèi)星等方式加強(qiáng)信息連接，形成我國的廣域量子通信體系。中國科學(xué)院同中國科技大學(xué)聯(lián)合，已準(zhǔn)備在2015年或2016年發(fā)射世界首顆“量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”。此項(xiàng)方案一旦落實(shí)，將無疑是驚動(dòng)國際科技界和產(chǎn)業(yè)界的一樁大事件。

　　美國

　　最先列入國家戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)系列突破

　　美國對(duì)量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究開始較早，并最先被列入到國家戰(zhàn)略、國防和安全的研發(fā)計(jì)劃。

　　1999年，美國洛斯·阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室量子信息研究團(tuán)體就實(shí)現(xiàn)了500米的自由空間傳輸。2003年，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署又領(lǐng)銜建設(shè)了DARPA量子通信技術(shù)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。2004年，美國馬薩諸塞州劍橋城正式投入運(yùn)行了世界上第一個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離約為10公里。2006年，洛斯·阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)(量子通信中的“誘騙態(tài)”，是指為了實(shí)現(xiàn)量子通信過程的絕對(duì)安全性等性能目標(biāo)，憑借量子密鑰分發(fā)而對(duì)各種有益或無益信息進(jìn)行有引導(dǎo)處理，并使之處于“無條件安全”狀態(tài)的特殊物理技術(shù)及方式)方案，并實(shí)現(xiàn)了超過100公里的量子保密通信實(shí)驗(yàn)。2007年，美國科學(xué)家讓兩個(gè)獨(dú)立原子實(shí)現(xiàn)了量子糾纏和遠(yuǎn)距離量子通信。2009年，美國DARPA曾建成城域量子通信演示網(wǎng)。同一年，美國麻省理工學(xué)院科學(xué)家繼續(xù)在冷原子中量子存儲(chǔ)和波動(dòng)研究領(lǐng)域有了新的突破，該方面技術(shù)是設(shè)計(jì)量子信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。美國2010年在量子源產(chǎn)出的單光子波長轉(zhuǎn)換、2011年在單量子位處理量子信息，以及2012年法國和美國在驗(yàn)證傳輸光的原子和粒子之量子行為關(guān)系等方面，成果都意義卓著。

　　上世紀(jì)末，美國政府便將量子信息列為“保持國家競(jìng)爭(zhēng)力”計(jì)劃的重點(diǎn)支持課題，隸屬于政府的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所更將量子信息作為三個(gè)重點(diǎn)研究方向之一。美國加州理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院和南加州大學(xué)聯(lián)合成立了量子信息與計(jì)算研究所，直接歸美國軍隊(duì)研究部門管轄。2009年，美國政府發(fā)布的信息科學(xué)白皮書，明確要求各科研機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)開展量子信息技術(shù)研究。同年，美國相關(guān)機(jī)構(gòu)不僅及時(shí)地建成了城域量子通信演示網(wǎng)，還取得了量子存儲(chǔ)和波動(dòng)研究的新突破。2011年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的科學(xué)家更是獲得了單量子位處理量子信息的最新系列成果。

　　日本

　　計(jì)劃2030年前建成高速量子通信網(wǎng)

　　日本政府和科技界一貫重視量子科技新領(lǐng)域的研發(fā)與攻關(guān)。數(shù)年前，日本就提出了以新一代量子通信技術(shù)為對(duì)象的長期研究戰(zhàn)略，并計(jì)劃在2020—2030年間建成絕對(duì)安全保密的高速量子通信網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用上的質(zhì)的飛躍。為此，日本郵政省還特地把量子通信作為21世紀(jì)全國戰(zhàn)略項(xiàng)目，并專門制訂了跨度為10年的中長期定向研究目標(biāo)。2000年以來，日本的一些著名大公司和高校，始終在堅(jiān)持不懈地研發(fā)量子通信的高端技術(shù)與系統(tǒng)，即使是難度較大的量子密鑰生成攻關(guān)，亦進(jìn)展顯著。

　　美國和歐盟在量子通信領(lǐng)域的一連串突飛猛進(jìn)，使日本備感形勢(shì)緊迫。早在2000年，日本郵政省就將量子通信技術(shù)作為一項(xiàng)國家級(jí)高技術(shù)列入開發(fā)計(jì)劃，主要致力于研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術(shù)。2002年，日本NTT公司曾研發(fā)出了差動(dòng)移相量子密碼發(fā)送協(xié)議，并應(yīng)用到試運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)上。2004年，日本研究人員用防盜量子密碼技術(shù)傳送信息獲得成功，傳遞距離可達(dá)87公里。2005年，日本電氣公司開發(fā)出了一種即使氣溫與光纖長度等通信環(huán)境發(fā)生異常變化，其性能也不會(huì)降低的量子加密通信系統(tǒng)。同一年，日本松下電器產(chǎn)業(yè)和日本玉川大學(xué)利用光的量子擾動(dòng)現(xiàn)象，試制出了一套防竊聽性能更高的光通信系統(tǒng)，傳輸距離為20公里。2007年，日本一研究團(tuán)體開發(fā)的量子密鑰技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)條件下實(shí)現(xiàn)了信息經(jīng)光纖的安全傳輸。2008年，日本東芝公司研究人員在量子密碼通信中，將密鑰的傳輸速度成功提高，使其更實(shí)用化。2009年，日本日立公司和東京大學(xué)科學(xué)家又共同開發(fā)出了可利用下一代高速大容量光通信的“相位調(diào)制技術(shù)”。2010年，日本一家信息通信研究機(jī)構(gòu)的量子ICT集團(tuán)，受托與多家電氣、電機(jī)、電信電話公司合作，在超高速寬帶網(wǎng)絡(luò)上采用量子密碼技術(shù)，已開發(fā)出了不能竊密的多點(diǎn)電視會(huì)議系統(tǒng)，并開始投入試運(yùn)行。2011年，日本上述研究機(jī)構(gòu)的同一集團(tuán)將量子密碼技術(shù)應(yīng)用于電視會(huì)議系統(tǒng)，充分實(shí)現(xiàn)了世界上最快的密鑰生成速度。

　　歐洲

　　聯(lián)合攻關(guān)，為鋪設(shè)量子互聯(lián)網(wǎng)做準(zhǔn)備

　　歐盟推出了用于發(fā)展量子信息技術(shù)的“歐洲量子科學(xué)技術(shù)”計(jì)劃以及《歐洲量子信息處理與通信》計(jì)劃，并專門成立了包括英國、法國、德國、意大利、奧地利和西班牙等國在內(nèi)的量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)，這是繼歐洲核子中心和航天技術(shù)采取國際合作之后，又一針對(duì)重大科技問題的大規(guī)模國際合作。根據(jù)該方面重要而突出的聯(lián)合攻關(guān)任務(wù)，1993至2011年期間，英國、瑞士、奧地利、德國、法國、瑞典諸國的科學(xué)家曾連續(xù)創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)、量子密碼通信、太空絕密傳輸量子信息及量子信息存儲(chǔ)等一系列根本性突破。以上種種成功推動(dòng)，很大程度又是在為下一步量子互聯(lián)網(wǎng)的全面建設(shè)鋪平道路。

　　英國從事量子通信的理論與實(shí)驗(yàn)研究，同美國時(shí)間相差不遠(yuǎn)。還在1993年，英國國防研究部在光纖中就實(shí)現(xiàn)了相位編碼量子密鑰分發(fā)，光纖傳輸長度為10公里。1995年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)一對(duì)三的網(wǎng)絡(luò)量子密碼通信演示實(shí)驗(yàn)取得成功。同一年，日內(nèi)瓦大學(xué)通過在日內(nèi)瓦湖底鋪設(shè)的23公里民用光通信光纜進(jìn)行了實(shí)地表演。也在那年，英國又成功實(shí)現(xiàn)了30公里長光纖傳輸中的量子密鑰分發(fā)。1997年，日內(nèi)瓦大學(xué)利用法拉第鏡，使得傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用的方便性大為提高，被稱為“即插即用”的量子密碼方案。1999年，瑞典與日本合作，在光纖中成功地進(jìn)行了40公里的量子密碼通信實(shí)驗(yàn)。2002年，德國慕尼黑大學(xué)與英國軍方又在德奧邊境山峰用激光成功傳輸了光子密鑰。2006年，歐洲慕尼黑大學(xué)—維也納大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)既成功地實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了超過100公里的量子保密通信實(shí)驗(yàn)。2007年，由奧地利、英國、德國等多國科學(xué)家合作，在量子通信中圓滿實(shí)現(xiàn)了通信距離達(dá)144公里的最遠(yuǎn)紀(jì)錄。2008年，意大利和奧地利科學(xué)家研究團(tuán)隊(duì)首次識(shí)別出從地球上空1500公里處的人造衛(wèi)星上反彈回地球的單批光子，實(shí)現(xiàn)了太空絕密傳輸量子信息的重大突破，為將量子通信用于全球通信做好了準(zhǔn)備。