從零到一：中國量子信息技術領跑世界

從零到一：中國量子信息技術領跑世界

量子力學誕生一百多年來，雖然讓人難以理解，卻不斷得到實驗的支撐，催生了原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛星定位系統等，改變了世界的面貌。但對量子糾纏的應用，最近才剛剛開始，這個現象在量子計算和量子通信中都有很大的應用前景。

兩個處於糾纏態的量子，無論相隔多遠，改變其中一個後，另一個馬上就會發生相應變化，連光速都沒有這麼快。究竟是什麼樣的物質才會超越時空，發生如此神奇的“心靈感應”？

愛因斯坦的“幽靈”——量子糾纏

“幽靈般的超距作用”，這是著名物理學家愛因斯坦在1947年3月給另一位著名科學家玻恩的信中，對量子糾纏的看法。這時，從1900年出現“量子”的概念算起，量子力學已經面世近半個世紀。但是一些相關理論仍未被科學界廣泛接受，連愛因斯坦這樣的頂尖人物，也用“幽靈”這樣的詞語來形容量子糾纏。

量子這個概念，是著名物理學家普朗克在1900年的論文《黑體光譜中的能量分佈》中提出來的。他發現，要能解釋一些實驗現象，必須假定能量在發射和吸收的時候不是連續不斷，而是由一個個的“量子”組成。所以，量子不同於分子、原子、電子等粒子，它的本意只是一個數學概念，即“離散變化的最小單元”。

量子計算可以說是一把“利矛”。量子可以處於多個狀態，以及互相糾纏的特性，使得量子計算機有強大的計算能力。有觀點認為，在量子計算機真正面世後，傳統計算機需要100年才能破解的問題，量子計算機可能僅需1秒，可以解決很多傳統計算機難以解決的問題。這也意味著當前國防、金融等領域使用的傳統密碼體系會在短時間內被攻破，機密無所遁形。

中國科學技術大學研究人員在2017年報告說，其利用10個光量子的糾纏，開發出世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算原型機，被譽為是量子計算領域的“埃尼亞克”。不過，這離通用量子計算機還有距離，目前還沒任何一家機構宣佈能讓量子計算機的計算能力超過經典計算機，即實現所謂的“量子霸權”。

量子通信則可以說是一面“堅盾”。基於數學問題計算複雜度的傳統密碼體系可能被量子計算機攻破，但量子通信則是基於物理原理，提供了無法竊聽的保密通信方式。比如兩個處於糾纏態的量子，將它們分置兩地，在一個地方進行測量的時候，另一個地方可以瞬時得知相應結果，再結合其他一些手段就能進行通信。如果要竊聽的話，一測量就會導致量子態的突變，馬上就會被發現。

世界首個光量子電話網——三生萬物的開始

2008年，在北京奧運會吸引全世界目光的時候，很少有人注意到在安徽省的合肥市，誕生了一項具有深遠影響、將被載入史冊的成果：中國科學技術大學、杏林苑、濱湖新區這三個地方被光纖連接起來，組成了世界首個可實用的光量子電話網。

三生萬物。從這個3節點鏈狀網開始，發展出46節點的合肥城域網、橫跨2000公里的量子通信“京滬幹線”，一直到飛上太空的世界首顆量子衛星，實現量子通信的“天地一體化”。那麼，這具有歷史意義的第一步是怎樣邁出的呢？

自從信息技術興起以來，科研人員發現，將量子理論的某些特點應用於通信，可以起到絕對保密的效果。但正如人們從認識到燒水時的水蒸氣會頂起壺蓋，到發明可實用的蒸汽機之間走了很長的路。從量子密碼技術的基本原理到真正實現量子保密通信，也要邁過一道道坎。

要邁過這些坎，首先是理論突破。2003年韓國學者黃元英教授提出了誘騙態的技術，即採用不同強度的弱光脈衝，把多光子成分估計得更準，使得傳輸距離大幅度提高。2006年，中國科學技術大學潘建偉小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學-維也納大學聯合研究小組各自獨立證實了誘騙態理論，同時實現了較長距離的誘騙態量子密鑰分發實驗。這三個實驗同時發表在著名物理學國際期刊《物理評論快報》上，打開了量子通信走向應用的大門。

中國團隊繼續針對量子通信實用化進行攻關，研製成功量子電話樣機。2008年，研究團隊在合肥當時已有商業光纖網絡的基礎上，將中國科學技術大學、杏林苑、濱湖新區這3個點連接起來，在濱湖新區設立發送器，在杏林苑設有接收器，而在中科大同時設有發送器和接收器。

這個實驗的關鍵之處在於，相關節點的間距達到20公里，超出過去實驗室中的量子通信距離。在這個網絡上，研究團隊實現了“一次一密”加密方式的實時網絡通話和3方對講機功能，真正做到了“電話一撥即通、語音實時加密、安全牢不可破”的量子保密電話。這些在量子通信實用化及其網絡化核心技術方面的突破，表明實現量子通信技術產業化的時機已經到來。

世界首批城域量子通信網——從合肥到濟南

在量子通信從實驗室走向實際應用的過程中，合肥和濟南成為兩個走在前列的城市，它們先後建成了量子通信城域網，後來也成為量子通信“京滬幹線”中的兩個重要樞紐。

似乎是契合四年一度的奧運週期，中國科研人員在召開北京奧運的2008年建成全球首個3節點量子電話網後，在舉行倫敦奧運的2012年又拿下了一個世界紀錄，建成了有46個節點的合肥城域量子通信試驗示範網，這是全球首個規模化量子網絡。

安徽省省會合肥可謂是近水樓臺先得月，憑藉中國科學技術大學坐落於此的優勢，成為全球首個建設大規模量子通信網的城市。合肥城域量子通信示範網是2010年安徽省重大科技攻關項目、合肥市自主創新重大項目，2010年7月開工，一開始就提出了“首個開工、首個建成、首個使用”的目標。網絡覆蓋合肥市主城區，用戶涵蓋省市政府機關單位、金融機構、軍工企業、研究院所等，具有網絡擴容能力，能夠提供量子安全下的實時語音通信、實時文本通信及文件傳輸等功能。

“量子通信網絡裡，用戶和普通網絡用戶的操作沒有任何區別。打電話、發郵件、傳輸文件等都完全可以。但是絕對不需要擔心信息被盜。”時任中國科技大學科技處副處長王兵說。合肥城域量子通信試驗示範網的46個節點中包括政府機關、金融機構、軍工企業、研究院所等諸多涉密敏感單位，在量子通信的保障下，這些用戶傳遞的信息內容就會不可竊聽、不可複製或不可破譯。

合肥城域量子通信試驗示範網的另一個重大意義是，成為量子通信規模化應用的試驗床。建設團隊成員、時任中科院量子技術與應用研究中心副主任趙勇說，在之前有關量子通信的基礎研究做足後，擁有一個產品和技術的試驗床，就顯得有點迫切，“我們需要一個具有穩定性和安全性的更大的平臺來檢測通信，同時積累量子通信網絡的建設和運維經驗”。

如果說合肥城域量子通信試驗示範網是一個技術試驗床，那麼緊隨其後建設的濟南量子通信試驗網則是面向用戶日常應用的、更加貼合不同使用單位需求的量子通信網絡。2011年，在合肥示範網仍在建設的時候，有關各方就已經開始了濟南試驗網的佈局。量子通信網絡在濟南的鋪開有明顯的階段性特點，每個階段都滿足特定用戶的需求。2013年，濟南量子保密通信試驗網建成投入使用，山東省50個省直機關事業單位、金融機構實現了語音電話、傳真、文本通信和文件傳輸等量子保密傳輸業務。顯然，這一階段的網絡以特殊保密單位為主要服務對象。

據介紹，濟南量子通信試驗網總投資1.22億元，包括3個集控站、50個用戶節點，可以為用戶提供高效率、絕對安全的保密通信。這是我國第一套實用化的大型量子通信城域網，也是當時世界上量子節點、用戶數量、業務種類和密鑰發放最多、規模最大的量子試驗網。

到了2017年，濟南量子通信試驗網已發展成世界上首個大型商用量子通信專網。濟南城區8個主要位置已被量子通信專網覆蓋，區域內所有用戶之間的通信實現了每秒產生4000多個密鑰的數據加密保護。這個網絡已能為100多個用戶提供基於量子加密的電話、傳真、文件和文本通信業務。於是，濟南和合肥一起，成為中國量子通信“京滬幹線”中的重要樞紐。