这就是中国优势 | 科技优势（十一）量子通信：中国领跑全球“量子梦”

【导语】“可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。”这是一种豪情与诗意，也是当今中国正创造的奇迹。中国人对未知的好奇、对探索的渴望、对困境的思考以及对美好未来的期待，推开了一扇扇崭新世界的大门：空间探测、生物医药、人工智能、量子科学……中国科技创新的步伐从未停止。正如习近平总书记所说，一切伟大成就都是持续奋斗的结果，一切伟大事业都需要在继往开来中推进。新时代必将是大有可为的时代。

根据量子力学理论，两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都可以保持一种“幽灵般的超距作用”——两个粒子的状态密切相关，只要测定其中一个粒子，就能获知另一个粒子在此刻的状态。这样的性质在通信领域有着诱人的应用场景，作为迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，量子通信技术已成为全球科技大国激烈角逐的焦点。

中国在量子通信领域的发展极为迅速，目前已达到世界顶尖水平，领先欧美国家。近年来，中国多次创造量子比特纠缠数量的世界纪录；发射世界首颗量子实验卫星“墨子号”，实现千里纠缠、星地传密、隐形传态三大科学目标；开通世界首条量子保密通信干线“京沪干线”，实现世界首次洲际量子保密通信；首次实现地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。

2016年8月16日，全球首颗用于量子通信研究的“墨子号”量子科学实验卫星在中国酒泉卫星发射中心发射升空。（图源：新华社）

“墨子号”开启量子的世界

墨子在两千多年前就发现了光线沿直线传播，并设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。“就像国外有伽利略卫星、开普勒望远镜一样，以中国古代伟大科学先贤的名字来命名全球首颗量子卫星，将提升我国的文化自信。”中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟这样阐释。

以墨子命名的“墨子号”量子科学实验卫星，其作用在于探索量子通信卫星的可行性。由于量子不可克隆原理，量子通信的信号不能像经典通信那样被放大，这使得之前量子通信的世界纪录只有百公里量级。因此，如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。

2003年，中国科学技术大学潘建伟团队率先开展远距离自由空间量子通信实验研究。 2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2013年，中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验，全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后，该团队经过艰苦攻关，最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过4个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。

2016年11月26日，在河北兴隆观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验。（图源：新华社）

“墨子号”的成功为人类探索远距离量子通信提供了新平台，同时也激发了国际空间量子科学的研究热潮。国际权威期刊《自然》杂志对此评价道，“墨子号”研究成果标志着中国在量子通信领域的崛起，将领先于欧洲和北美。在《科学美国人》的评选中，“墨子号”量子卫星作为唯一诞生于美国本土之外的创新技术入选2016年度“改变世界的十大创新技术”。量子力学世界级大师塞林格这样评价潘建伟团队的成果：中国如今在量子保密通信领域的成就，“爱因斯坦一定会对此感到惊讶”，“因为这些量子力学理论，比如量子纠缠，现在已经真的进入实际应用，这超出了爱因斯坦的预期。”

量子通信到底有多安全？

2016年5月25日，在中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心内的量子模拟实验室，工作人员正在调试超冷原子光晶格平台的激光伺服系统。（图源：新华社）

现在被认为最安全的信息传递方式是光纤通讯。光缆能把所有的光能限制在光纤里，外面得不到能量，所以这个传输被认为是安全的。但随着科技发展，只需让光缆泄露哪怕很少一部分能量，我们就能够窃听光缆传递的信号。这是因为经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。如两人打电话时，他人可通过窃听器，从通信线路中的上千万个电子中分离出一些电子，使其进入另一根线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。

量子通信则完全不会出现这个问题。除了因为量子信号有0、1、0+1、0-1等量子叠加态，还因为量子由这种叠加态而产生的不可克隆原理。 根据量子力学理论，对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的。也就是说，量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，有可能“塌缩”成另一个量子态。这样一来，通信双方能立即察觉。

这个方式到底有多安全呢？中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心成员、中国科学技术大学上海研究院副研究员张文卓表示，“只要因果性成立，只要信息传递不超过光速，时间不逆转，比如我们回不到过去，这个通信方式就是无条件安全的”。

量子通信的产业化方向主要在“保密通信”，中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟表示，量子保密通信是在传统通信中使用量子密钥以提升安全性，它并不是要取代现有的通信方式，而是以一种新的途径来大幅提高现有信息系统的安全性。量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。

中国量子通信领跑世界

2016年12月10日，在西藏阿里观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验（合成照片）。（图源：新华社）

近年来，中国科研人员利用“墨子号”量子卫星在国际上率先完成了一系列具有开创意义的星地量子科学实验。

这些实验包括：完成了星地量子密钥分发、北京到维也纳的洲际量子密钥分发、基于纠缠的无须可信中继量子密钥分发，并进一步在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星之间成功实现了对接，验证了星地广域量子通信的可行性；

实现了星地双向量子纠缠分发实验，观察到了星地间千公里距离的严格满足爱因斯坦定域性条件的贝尔不等式的破缺，验证了空间尺度量子纠缠的存在和量子力学基本原理的正确性；

完成了首个地星量子隐形传态以及星地量子态远程传输，证明了在地星千公里距离上能够完成量子比特的传输，为全球化量子信息处理网络奠定了基础；

“墨子号”地星量子隐形传态实验，2016年11月摄于西藏阿里，星上绿色信标光将空中的薄云照亮。（图源：新华社）

在完成了广域量子通信和量子力学基本问题检验的既定科学目标后，还在空间量子科学实验的其他方向展开了探索工作，利用上行量子信道，对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验，迈出了探索量子力学与广义相对论相融合的实验检验的第一步；

将量子通信技术与量子精密测量技术相结合，实现了星地安全时频传输实验，验证了在空间尺度开展广域光频标研究的可行性……这些空间量子科学实验成果使我国第一次在空间量子科学研究领域走到了世界最前列，牢牢占据了空间量子科学研究领域的主导和引领地位。

当前，对于量子科技领域的战略布局已成全球共识，中国近几年取得了一系列重要的科学问题和关键核心技术突破，令国际科学界为之瞩目。在这场关于科技的激烈竞逐中，中国已经按下了创新“快进键”。

(资料来源：中国科学院、环球科学、新华社、人民网、光明日报、科技日报)