整理撰稿人：中科院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館總館交叉與重大前沿團(tuán)隊(duì)李澤霞（E-mail:lizexia@mail.las.ac.cn）、邊文越

審稿專家：中科大陸朝陽(yáng)教授

量子通信將可能率先取得重大突破

整理撰稿人：中科院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館總館交叉與重大前沿團(tuán)隊(duì)李澤霞（E-mail:lizexia@mail.las.ac.cn）、邊文越

審稿專家：中科大陸朝陽(yáng)教授

量子通信，即量子密鑰分發(fā)，是利用量子態(tài)對(duì)信息進(jìn)行編碼并傳遞的一種新型的通訊方式。基于量子力學(xué)的基本原理，量子密鑰具有不可復(fù)制性和無(wú)條件安全性：一旦有人竊取密鑰，就必然會(huì)被使用者發(fā)現(xiàn)，從而保證密鑰的安全；而一旦密鑰建立，加密的信息就無(wú)法被破解。

1984年，IBM的C.H.Bennett和蒙特利爾（Montreal）大學(xué)的G.Brassard共同提出第一個(gè)量子密碼分配協(xié)議——BB84協(xié)議，自此叩開(kāi)了量子保密通信的大門(mén)。此外還有1991年由牛津大學(xué)A.K.Ekert提出E91協(xié)議、1992年由Bennett提出B92協(xié)議等，這些協(xié)議本質(zhì)上和BB84協(xié)議是一致的。如今，量子通信已經(jīng)成為國(guó)際量子物理和信息科學(xué)與技術(shù)的研究熱點(diǎn)，極有可能引發(fā)信息產(chǎn)業(yè)的一次重大革命。

1 量子通信的成果不斷涌現(xiàn)

在短短的30年中，量子通信的研究和應(yīng)用不斷取得世界矚目的重大突破。

量子通信的第一個(gè)演示性試驗(yàn)是由Bennett、Brassard及其研究團(tuán)隊(duì)在1989年完成的，傳輸距離只有30cm。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)1993年基于BB84協(xié)議在1.1km長(zhǎng)的光纖中傳輸1.3μm電信波長(zhǎng)的量子光信號(hào)。1999年，瑞典和日本合作在光纖中成功地進(jìn)行了40km的量子密碼通信實(shí)驗(yàn)。美國(guó)Los Alamos實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)了48km量子密鑰系統(tǒng)運(yùn)行兩年，2000年他們?cè)谧杂煽臻g中使用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，傳輸距離為1.6km。

2000年以來(lái)，量子通信的距離和速率有了進(jìn)一步的提升，一些小規(guī)模的量子通信試驗(yàn)網(wǎng)已經(jīng)建成，驗(yàn)證了量子通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的可行性。而利用光纖實(shí)現(xiàn)城市范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)、利用中繼連接城域網(wǎng)形成城際網(wǎng)、利用自由空間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信，這一實(shí)現(xiàn)廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的路線圖，已得到國(guó)際公認(rèn)。

2003年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和波士頓大學(xué)的科研人員研制出一種能探測(cè)到單脈沖光的探測(cè)器，它為開(kāi)發(fā)安全量子通信和密碼系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)。2004年，日本NEC公司宣布創(chuàng)下了光纖量子密碼傳輸距離的新記錄：150km。同年，在美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）支持下，由美國(guó)雷神（BBN）技術(shù)公司和波士頓大學(xué)建立的世界上第一個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)在美國(guó)馬薩諸塞州劍橋城正式投入運(yùn)行。

然而，由于量子密鑰分發(fā)方案要求單光子源，而現(xiàn)實(shí)條件下不存在理想的單光子源，一般采用弱相干光源代替。理論表明，弱相干光源會(huì)導(dǎo)致巨大的安全性漏洞，在信道損耗達(dá)到一定程度時(shí)，攻擊者可以利用“分離光子數(shù)（Photon Number Splitting）”攻擊，完全掌握密鑰而不被使用者發(fā)現(xiàn)。因此，2005年以前所有的實(shí)驗(yàn)都是原理性演示，真正的安全距離只有10km量級(jí)，且成碼率極低。2005年，中國(guó)學(xué)者王向斌、陳凱等人提出的誘騙態(tài)（Decoy State）方案，克服了光源不完美帶來(lái)的安全漏洞，使得利用弱相干光源同樣可以實(shí)現(xiàn)安全距離超過(guò)百公里的量子通信。2007年，超過(guò)100公里的誘騙態(tài)光纖量子密鑰分發(fā)被中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)，以及美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室-美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組同時(shí)實(shí)現(xiàn)，就此打開(kāi)了量子通信走向?qū)嵱没拇箝T(mén)。

此后，一些實(shí)用化的小規(guī)模光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)先后在國(guó)際上建成。2008年，基于誘騙態(tài)方案，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)。同年，歐洲聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組在奧地利維也納也演示了一個(gè)多節(jié)點(diǎn)的量子通信網(wǎng)絡(luò)（SECOQC Network）；2010年起，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室秘密構(gòu)建了城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，直到2013年才公布；同年，通過(guò)洲際合作，日本國(guó)家情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）等在東京構(gòu)建了東京QKD網(wǎng)絡(luò)（Tokyo QKD Network）。

在量子中繼研究方面，國(guó)際上整體處于基礎(chǔ)研究階段。量子中繼包括3個(gè)要素：通過(guò)量子糾纏交換克服光子損耗、通過(guò)量子糾纏純化克服消相干帶來(lái)的量子糾纏品質(zhì)下降、通過(guò)量子存儲(chǔ)克服概率性事件帶來(lái)的資源指數(shù)消耗。量子糾纏交換的概念在1993年由波蘭科學(xué)家Zukowski等人提出，1998年由潘建偉等人首次實(shí)現(xiàn)；量子糾纏純化方案于1996年由Bennett等人首次提出，但以現(xiàn)有的技術(shù)水平難以實(shí)現(xiàn)。2001年，潘建偉等人提出了現(xiàn)有手段可以實(shí)現(xiàn)的量子純化理論方案，并于2003年首次實(shí)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)上無(wú)可辯駁地證明了量子信息處理中任意未知的退相干效應(yīng)是可以被克服的。2008年，結(jié)合量子存儲(chǔ)，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次演示了量子中繼器的原型。對(duì)于量子存儲(chǔ)，有兩項(xiàng)核心指標(biāo)：長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命和高讀出效率。根據(jù)這兩個(gè)指標(biāo)，最適合量子存儲(chǔ)的物理體系是冷原子系綜。2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院Vuleti?小組實(shí)現(xiàn)讀出效率達(dá)80%，此為目前最高的讀出效率，但存儲(chǔ)壽命很短，只有200納秒；2010年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院Kuzmich小組實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)壽命達(dá)到100毫秒，此為目前最長(zhǎng)的讀存儲(chǔ)壽命，但讀出效率很低，只有20%；2012年，潘建偉小組實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)壽命達(dá)到3毫秒，讀出效率達(dá)到70%，此為目前綜合性能最優(yōu)的量子存儲(chǔ)。

自由空間量子通信方面，2002年，德國(guó)慕尼黑大學(xué)和英國(guó)軍方下屬的研究機(jī)構(gòu)合作，在德國(guó)和奧地利邊境相距23.4km的楚格峰和卡爾文德?tīng)柗逯g用激光成功傳輸了光子密鑰；2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在合肥市大蜀山實(shí)現(xiàn)了13km自由空間量子糾纏分發(fā)和量子密鑰分發(fā)；2010年，潘建偉團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)聯(lián)合小組在北京八達(dá)嶺與河北懷來(lái)之間架設(shè)長(zhǎng)達(dá)16km的自由空間量子信道。這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光子突破大氣，進(jìn)而通過(guò)近地衛(wèi)星安全傳送密鑰并建立全球密碼發(fā)送網(wǎng)絡(luò)的可能性。2007年，奧地利維也納大學(xué)Zeilinger小組在相距144km的兩個(gè)小島間實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)。2012年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，驗(yàn)證了在高損耗星地量子通道中實(shí)現(xiàn)自由空間量子通信的可行性[1,2]。

2 量子通信成為各國(guó)戰(zhàn)略部署重點(diǎn)

在歐盟發(fā)布的《量子信息處理和通信：歐洲研究現(xiàn)狀、愿景與目標(biāo)戰(zhàn)略報(bào)告》中給出了歐洲未來(lái)5—10年量子信息的發(fā)展目標(biāo)，如將重點(diǎn)發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實(shí)現(xiàn)1 000km量級(jí)的量子密鑰分配。2008年9月發(fā)布了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白皮書(shū)，啟動(dòng)量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究。來(lái)自包括英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、奧地利和西班牙等12個(gè)歐洲國(guó)家的41個(gè)最優(yōu)秀的研究組聯(lián)合成立了“基于量子密碼的安全通信（Secure Communication based On Quantum Cryptography,SECOQC）”工程，這是繼歐洲核子中心和航天技術(shù)國(guó)際合作之后，又一針對(duì)科技重大問(wèn)題的大規(guī)模國(guó)際合作。歐洲空間局提出了以國(guó)際空間站為平臺(tái)的遠(yuǎn)距離量子通信實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（Quantum Entanglement for Space Experiments,Space-QUEST）[3]。

20世紀(jì)末，美國(guó)政府和科技界已將量子信息列為“保持國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力”計(jì)劃的重點(diǎn)支持課題。2002年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)投入5 000萬(wàn)美元對(duì)量子通信進(jìn)行研究，2012年，又投入400萬(wàn)美元設(shè)立“量子信息科學(xué)跨學(xué)科教師計(jì)劃”，對(duì)量子信息相關(guān)的交叉科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，同時(shí)開(kāi)始培訓(xùn)和儲(chǔ)備相應(yīng)的跨學(xué)科教育人才。2009年信息科學(xué)白皮書(shū)中要求各科研機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)開(kāi)展量子信息技術(shù)研究。美國(guó)國(guó)防部支持的“高級(jí)研究與發(fā)展活動(dòng)”計(jì)劃到2014年將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)。

日本提出以新一代量子信息通信技術(shù)為對(duì)象的長(zhǎng)期研究戰(zhàn)略，計(jì)劃在5—10年內(nèi)建成絕對(duì)安全保密的高速量子信息通信網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)質(zhì)的飛躍。日本郵政省把量子通信作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略項(xiàng)目，以10年的中長(zhǎng)期目標(biāo)進(jìn)行研究。日本國(guó)家情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）也啟動(dòng)了一個(gè)長(zhǎng)期支持計(jì)劃，該計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。

3 量子通信的產(chǎn)業(yè)前景非常廣闊

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達(dá)到物理極限，而以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通信，則日益顯示出將成為引領(lǐng)未來(lái)科技發(fā)展的重要領(lǐng)域。全球信息產(chǎn)業(yè)界國(guó)際巨頭IBM、Philips、AT&T、Bell實(shí)驗(yàn)室、HP、西門(mén)子NEC、日立、三菱、NTT DoCoMo等對(duì)量子通信技術(shù)投入大量研發(fā)資本，開(kāi)展量子通信技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

瑞士IdQuantique、美國(guó)MagiQ Technologies以及澳大利亞QuintessenceLabs等公司已有量子密碼相關(guān)產(chǎn)品。其中，瑞士IdQuantique的量子密碼產(chǎn)品已在多個(gè)領(lǐng)域得以應(yīng)用，如為瑞士?jī)杉宜饺算y行（Hyposwiss、NotenStein）分別構(gòu)建了量子保密通信專線。

量子通信不僅可用于國(guó)防等領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)保密通信，還可用于涉及秘密數(shù)據(jù)、票據(jù)的金融行業(yè)和政府部門(mén)的復(fù)雜業(yè)務(wù)。

在國(guó)防領(lǐng)域，量子通信能夠應(yīng)用于通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)，構(gòu)成作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機(jī)動(dòng)的安全通信網(wǎng)絡(luò)；能夠用于改進(jìn)光網(wǎng)信息傳輸保密性，由此提高信息保護(hù)和信息對(duì)抗能力；還能夠應(yīng)用于深海安全通信，為遠(yuǎn)洋深海安全通信開(kāi)辟嶄新途徑和目標(biāo)，為國(guó)防贏得先機(jī)。

此外，量子通信在各行各業(yè)都將發(fā)揮巨大作用，還可用于金融機(jī)構(gòu)的隱匿通信，用于對(duì)電網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)和自來(lái)水管網(wǎng)等重要能源供給基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)控和通信保障等[4]。

4 中國(guó)實(shí)用化量子通信研究方面位居世界前列

在中國(guó)，科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院等部門(mén)高度重視和大力支持量子通信的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家一直在實(shí)用化量子通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，已有部分方面居世界領(lǐng)先地位。

2004年，中科大郭光燦研究組在北京與天津之間成功實(shí)現(xiàn)了125km光纖的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子密鑰分配線路。2009年，該小組在安徽省蕪湖市構(gòu)建了包括6個(gè)節(jié)點(diǎn)的“量子政務(wù)網(wǎng)”。需要指出的是，當(dāng)時(shí)的這些量子密鑰分發(fā)線路不能克服光子數(shù)分離攻擊。

利用安全距離超過(guò)百公里的誘騙態(tài)量子通信技術(shù)，潘建偉研究組在前期量子通信原型設(shè)備與組網(wǎng)技術(shù)取得突破的基礎(chǔ)上，2012年，建設(shè)完成了國(guó)際上首個(gè)規(guī)?；某怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)——合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)包含46個(gè)節(jié)點(diǎn)，規(guī)模遠(yuǎn)超國(guó)際上的同類型網(wǎng)絡(luò)，在合肥市區(qū)多個(gè)政府部門(mén)、金融機(jī)構(gòu)和科研院校得以應(yīng)用?；谝殉墒斓囊?guī)模化城域量子通信組網(wǎng)技術(shù)，同年該小組與新華社合作，建設(shè)了“金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)”，在國(guó)際上首次將量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于金融信息的安全傳送。2013年，由該小組牽頭的千公里級(jí)大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”正式立項(xiàng)，將建設(shè)連接北京、上海，貫穿濟(jì)南、合肥等地的高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，建成國(guó)際上首個(gè)大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺(tái)。

星地自由空間量子通信方面，由于潘建偉研究組前期取得的一系列技術(shù)突破，中科院于2011年底啟動(dòng)了“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。該專項(xiàng)預(yù)計(jì)在2016年左右發(fā)射衛(wèi)星，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信，連接地面光纖網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國(guó)廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)[1,5]。值得一提的是，國(guó)際量子通信研究的勁旅維也納大學(xué)Anton Zeilinger研究組主動(dòng)提出合作進(jìn)行星地自由空間量子通信研究的請(qǐng)求，目前中科院與奧地利科學(xué)院已簽訂合作協(xié)議，計(jì)劃在該專項(xiàng)的框架下實(shí)現(xiàn)北京與維也納之間的洲際量子密鑰分發(fā)。2012年，潘建偉教授因其“在量子通信和多光子糾纏操縱方面的先驅(qū)性貢獻(xiàn)”，獲得量子信息領(lǐng)域的國(guó)際最高獎(jiǎng)——國(guó)際量子通信獎(jiǎng)（Quantum Communication Award），成為首位獲此獎(jiǎng)項(xiàng)的中國(guó)物理學(xué)家。

中國(guó)已在量子科學(xué)研究領(lǐng)域逐漸崛起，在量子通信研究方面已經(jīng)具有很好的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)，可能率先取得重大突破。正如2012年底英國(guó)Nature雜志將潘建偉小組實(shí)現(xiàn)百公里自由空間量子通信評(píng)選為“年度十大科技亮點(diǎn)（Features of the Year）”時(shí)所評(píng)論的，“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅……”。

5 未來(lái)10年中國(guó)可能取得的重大科技突破

未來(lái)10年，沿著廣域量子通信的路線圖，我國(guó)可能取得的重大科技突破包括：

（1）光纖量子通信方面，量子通信的關(guān)鍵設(shè)備——單光子探測(cè)器的性能將大幅提升，這些性能指標(biāo)包括：高工作頻率、低暗計(jì)數(shù)率、高探測(cè)效率。同時(shí)，相關(guān)核心量子器件，如半導(dǎo)體單光子探測(cè)器的雪崩光電二極管（APD）將完全國(guó)產(chǎn)化。另一方面，大規(guī)模組網(wǎng)技術(shù)將進(jìn)一步成熟，網(wǎng)絡(luò)容量達(dá)到千用戶以上量級(jí)；

（2）冷原子量子中繼方面，在數(shù)年內(nèi)量子存儲(chǔ)的壽命將達(dá)到100毫秒，同時(shí)讀出效率將達(dá)到80%以上，滿足千公里距離量子通信的要求；

（3）星地自由空間量子通信方面，星間量子通信、全天候自由空間量子通信、星載量子存儲(chǔ)等面向下一代的自由空間量子通信技術(shù)將得以突破。通過(guò)這些技術(shù)的進(jìn)步，將有望通過(guò)多顆衛(wèi)星直接實(shí)現(xiàn)全球化量子通信、克服目前無(wú)法在白天進(jìn)行自由空間量子通信的缺點(diǎn)、通過(guò)星間量子中繼實(shí)現(xiàn)高效的全球化量子糾纏分發(fā)等。同時(shí)，基于更大尺度的星地光量子傳輸平臺(tái)，還有望在量子力學(xué)非定域性、相對(duì)論效應(yīng)、量子引力等物理學(xué)基本問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)上取得更多進(jìn)展。

1宋海剛，謝崇波.量子通信實(shí)用化現(xiàn)狀分析與探討.中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)，2011（3）：21-25.

2周正威，陳巍，孫方穩(wěn)等.量子信息技術(shù)縱覽.科學(xué)通報(bào)，2012（57）：1498-1525.

3馮驥，馮江源.歐美國(guó)家量子通信技術(shù)前沿爭(zhēng)奪及其優(yōu)勢(shì).國(guó)際研究參考，2013（3）：1-5.

4古麗萍.安全高效的量子通信及其發(fā)展.通信世界，2011（32）：21-32.

5中歐科學(xué)家開(kāi)始建造全球第一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng).中國(guó)教育網(wǎng)絡(luò)，2013（1）：6.

*修改稿收到日期：2013年9月9日