從“天地一體”到“移動組網”，中國量子通訊產業是如何“煉成”的？

近一兩年裡，隨著有關量子科技的報導越來越多地出現在眼前，我們恐怕再也不能僅僅停留在“遇事不決，量子力學”的認知水平了。

我們知道，量子科技主要包括量子計算和量子通訊兩大技術領域。與處在起步階段的量子計算不同，量子通訊技術早已完成了理論的驗證，已經進入快速產業化應用的階段。

最近，我國在量子通訊領域又取得了一些關鍵進展。1月初，中國科技大學宣佈成功實現跨越4600公里的星地量子金鑰分發，這標誌著我們基本構建起天地一體化廣域量子通訊網，也證明了廣域量子保密通訊技術初步具備大規模應用的成熟條件。

緊接著，南京大學的研究團隊成功透過兩架無人機空中編組，首次使用光學中繼，在兩個相距1千米的地面站之間實現糾纏光子分發，實現多節點移動量子組網。實驗的成功意味著我們在量子通訊網路上有了更多樣的應用場景選擇。

(以無人機為移動節點的光中繼糾纏分佈實驗示意)

顯然，無論是廣域量子通訊網的建成，還是移動量子網路的成功實驗，對於很多人而言，只會不明覺厲。因此，如果想搞清楚以上這些量子通訊技術到底有何“含金量”，又對我國的量子通訊產業有著怎樣的影響，仍然值得我們去做一番細緻解讀。不過，在回答這兩個問題之前，首先需要先對“量子通訊”本身做一下簡單介紹。

量子通訊：將資訊加密進行到底

資訊通訊技術在今天的重要性已經毋庸置疑。5G，作為新一代行動通訊技術，正在廣泛應用在我們的日常生活中，相比之下，量子通訊還是一個非常時髦但又讓普通人不明所以的存在。

量子通訊到底是怎麼回事，對我們大眾的生活有哪些影響呢?

簡單來說，量子通訊屬於量子資訊科學的一大分支。量子資訊科學，顧名思義是由量子力學和資訊科學組成的交叉學科。按照資訊科學中“計算”和“通訊”兩大主題，量子資訊科學的研究也分為“量子計算”和“量子通訊”。量子通訊就是利用量子力學特性進行資訊傳遞的新型通訊方式。

第一個問題，資訊通訊技術為啥需要跟量子力學“糾纏”在一起呢?

對於資訊通訊，特別是遠距離資訊通訊來說，一直要解決的兩大難題。

第一大難題是資訊傳輸的效率，包括傳輸率和準確率，這些由一系列不斷演進的技術來保證，從最初的烽火臺、到旗語，再到電報的摩爾斯電碼、有線電話、光纜通訊、行動網路等等。這部分我們都很熟悉，不再贅述。

第二個難題就是資訊傳輸的安全性，也就是資訊加密通訊的問題。資訊加密通訊的重要性，普通人可能沒有切身感受。第二次世界大戰期間，正是由於英國政府破解了德軍使用的一種號稱無法破譯的恩尼格碼密碼機，從而大大扭轉了二戰歐洲戰場的戰局，加速了德國的戰敗。如今，加密通訊更是成為了網際網路、金融、軍事等幾乎所有需要資訊通訊的場景的基石。

在量子通訊出現以前，傳統的加密通訊只有兩種方式：

一種資訊加密方式是“對稱密碼機制”。傳輸雙方掌握同一套金鑰，傳輸方用金鑰將明文轉換成密文，接收方用它將密文變換回原文。雙方共享的這一套金鑰或者說密碼本，如果第三方不掌握密碼本，理論上基本永遠無法破譯這套加密資訊。但是金鑰會需要一個信使來進行傳遞，在抗戰時期，地下工作者的一個工作就是充當信使來傳遞密碼本的。這裡會出現兩個安全問題，一個就是信使叛變，一個是密碼本被截獲，只要第三方掌握了密碼本，那麼加密資訊就等於是“明文”資訊了。

為了克服這種問題，數學家發明了第二種資訊加密方式——“非對稱密碼機制”，或者說“公鑰密碼機制”。只有接收方手裡有一套“加密鎖”(公鑰)和“解金鑰匙”(私鑰)，接收方可以把開啟的“加密鎖”公佈出來，任何人，包括髮送方都可以公開獲取。傳送方只需要把資訊用“加密鎖”鎖起來傳送給接收方，接收方再用自己的“解金鑰匙”開啟“加密鎖”，就能獲得資訊。

“加密鎖”，實際上只是一道“因數分解”的數學題，是由三位名字首字母為R、S、A的數學家發明的公鑰密碼機制，現在也是世界上最常用的密碼體系。這套密碼機制的優勢在於，製造密碼很簡單，破解的密碼很困難。第三方竊密者想要破解一個公鑰密碼，用全世界最快的計算機去計算，少則需要數萬年，多則幾十億年。這就讓破解的密碼成為一個事實上不可能的事情。

但是在理論上，只要計算速度夠快，RSA密碼被破解就是分分鐘的事情了，而恰好量子計算機可以透過量子位元的特性將破解因數分解的速度提升多個數量級，能夠輕易打破因數分解設定的計算難題。比如，分解一個300位和5000位的因數，量子演算法可以將原來需要的15萬年減少到不足1秒，從原來的50億年減少到2分鐘。雖然現在量子計算機還處在初級階段，只能處理六位數的因數分解，但是隨著量子計算研究的升級，傳統公鑰密碼系統將遲早被淘汰。

因為量子計算的出現，傳統加密通訊變成“小透明”，但是量子保密通訊技術(也叫量子金鑰分發)的出現，再一次讓“完美加密”得以實現。因此，量子保密通訊成為當前量子通訊技術的主要應用，也是當前可以走向產業落地的應用。

你看，“上帝關上一扇門，也會給你開啟另一扇門”，而且開啟的門還比關上的門要早一步開啟。

所謂量子保密通訊，就是一種利用量子的偏振特性來完成資訊加密的一種鐳射通訊。那麼，量子保密通訊具體是如何實現的呢?

(量子偏振的疊加原理)

我們知道量子力學的特徵有三點：疊加、測量和糾纏。

簡單來說，“疊加”保證了一個量子位元在偏振中可以有無限個狀態，而非數字位元只有0和1兩個狀態。疊加原理既能用來做量子計算，也能用來做量子加密。“測量”保證了量子的真正隨機性(randomness)，量子力學的“測量”讓“眼見為實”失去意義，每一次測量都會產生隨機的結果，而且測量本身也會改變結果，用在加密上就增加了傳輸錯誤率，因此一旦有第三方“竊聽”，通訊雙方就能立刻發現。

“糾纏”就更厲害了，量子糾纏可以實現多個粒子的超遠距離的通訊同步，不過對於量子加密來說，就有點像“火箭送快遞”一樣大材小用。因此，現在量子通訊，只要充分利用量子疊加和測量的手段，單個粒子就能產生相同的隨機數，完成“量子金鑰分發”(quantum key distribution，QKD)。

最初的單粒子加密協議是由本內特(Charles Bennett)和波拉薩德(Gilles Brassard)在1984年提出的，因此也被稱為“BB84協議”，而當前最先進的誘騙態協議可以看作是8848協議的改進版。

具體的量子加密的方式不再贅述，我們可以直接和傳統加密的效果做下對比：

傳統對稱密碼機制可以做到：(1)密文被截獲但不會被破譯;(2)僅靠計算無法破解，而傳統非對稱密碼機制，可以做到;(3)無需傳遞金鑰的信使;(4)在每次使用前直接產生金鑰，平時不需要儲存金鑰，但需要依賴數學計算的複雜性做到“密文的不可破譯”。因此，這兩種方式都無法做到“完美加密”。

而量子保密通訊不僅能同時做到以上四點，具備了計算意義上的“完美加密”性，而且因為量子的不可克隆性，在量子金鑰分發過程中，量子訊號一旦遭到竊聽，通訊雙方立刻就能發現，從而及時終止通訊或更換通道通訊，甚至還可以利用一些光學技術，確定竊聽者的位置。這一點是傳統加密技術根本無法做到的。因此，量子加密通訊又被稱為(計算上)“絕對安全”的加密技術。

當然，以上只是從理論上證明了量子金鑰分發的可用性，但量子金鑰分發在一開始，可以實現的通訊距離非常短，根本無法實現真正的產業化應用。因此，想要讓量子通訊走進現實世界，就必須建造出可以進行遠距離傳輸的量子通訊系統。

從30釐米到4600公里，從單線連線到“天地空一體”

1988年，IBM實驗室首次實現了現實意義的量子保密通訊。當時，研究者透過上下偏振和左右偏振呈現的量子態來分別代表兩套測試方法，最終使得兩臺計算機在30釐米距離的線路連線下實現了量子通訊，證明了量子保密通訊的可行性，而此後如何增加量子通訊距離，就成為量子保密通訊最主要的任務。

1995年，瑞士日內瓦大學首次做到了距離23公里的量子保密通訊。2002年，美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學開始聯合建造DARPA網路，並在2009年完成了城域量子保密通訊實驗網路的建設。

2003年，韓國、中國、加拿大等國學者提出了誘騙態量子密碼理論方案，在現有技術條件和真實系統的狀況下，大幅提高了量子通訊的安全傳輸距離。中科大潘建偉團隊在2010年時候可以做到16公里的量子通訊，到2012年成功推進到百公里級別，並首次證明了衛星與地面站間進行量子通訊的可行性。

2016年8月，中國成功發射世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，該衛星既實現了上千公里的星地高速量子金鑰分發，又實現了遠距離地星量子隱形傳態，從而將極大推動量子通訊的實用化。2016年底，全球首條量子保密通訊骨幹線——“京滬幹線”貫通，透過量子中繼站，構建起連線北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000餘公里的量子通訊骨幹網路。也就是透過墨子號和京滬幹線連線，建成這條“跨越4600公里的天地一體化量子通訊網路”。

(《Nature》論文圖：天地一體化量子通訊網路示意圖)

墨子號和地面的量子保密通訊是透過真空和大氣層傳遞，光訊號傳輸基本不會衰減，因此可以實現超遠距離的自由空間通道傳輸。而京滬幹線採用光纖QKD鏈路傳輸，儘管不受外界環境影響，但是光訊號衰減嚴重，導致必須使用可信中繼方案進行城域、城際的傳輸。

理解了這兩種方式的優缺點，我們也就能夠理解南京大學團隊提出的“以無人機為光學中繼”的方式進行量子金鑰分發，所具有“即搭即用、靈活機動”的特點，正好可以實現和光纖地基和衛星天基量子鏈路的功能互補。

未來，基於高低空無人機所搭建的移動量子鏈路可以向著“低空小型化”和“高空遠距離”兩個方向發展，最終目標是可以建立多節點連線的自由空間的量子鏈路網路。

經過30多年的演進發展，從釐米級別到數千公里級別、從單線連線到城域、城際網路，再到天地一體量子通訊網路，量子通訊已經開始進入產業化應用的階段當中。

暫時領先，道阻且長

說到這裡，大家可能都非常關心一個問題，那就是在全球量子通訊產業競賽中，中國處在一個怎樣的位置?這一次我們可以不客氣地說，中國的量子通訊暫時取得了領先。

首先，和美國、歐盟量子通訊網路的實力對比，我國廣域量子通訊網路已具有大幅領先優勢。

去年，歐盟釋出的《量子旗艦計劃戰略研究議程》中提到：“未來3年願景是利用QKD協議和具有可信中繼節點的網路實現全球範圍的安全金鑰分發，6-10年願景是使用量子中繼器在光纖上實現800公里以上的量子通訊。”而美國去年釋出的《量子網路戰略願景》中提出：“未來5年，美國將展示量子網路的基礎科學和關鍵技術，從量子互連、量子中繼器、量子儲存器到高通量量子通道，以及洲際天基糾纏分發。”

從這兩家的量子戰略時間表來比較，我們領先歐盟3至5年，領先美國則有5至8年。

其次，從量子通訊領域的專利數、申請專利的機構以及量子金鑰分發網路國際標準的制定來看，中國企業同樣佔據領先優勢。比如，在量子通訊技術專利數排名世界前十的機構中，有7家都是中國的。

另外，現在中國量子通訊產業化規模正在加速增長。根據資料，2017年中國量子通訊行業市場規模達到180億元，到2023年將達到805億元。量子通訊技術正在金融、政務、國防、電子資訊等領域廣泛應用。

儘管當前取得暫時的領先，但是我們也依然要清醒地認識到量子通訊領域的競爭才剛剛開始。按照Gartner的技術成熟度曲線，量子通訊產業仍然處在商業化早期階段。接下來，我們要繼續完成量子通訊網路的建設，也要在量子通訊產品的標準化、小型化方向加強投入，從而豐富量子通訊的應用場景。

而在未來，我們的目標是基於遠距離、可擴充套件、大規模的量子通訊網路，將分佈在各地的量子資訊處理器互聯，率先建成可以承載量子資訊的“量子網際網路”。而同樣，量子網際網路也是歐美國家量子戰略的最終目標。

可以預見，在接下來很長一段時間，我國和歐盟、美國展開一場不亞於如今半導體產業激烈互博的技術競賽。如果我們想要繼續在量子通訊領域保持優勢，則仍然要在量子資訊領域的標準化制定、基礎理論研究，以及從產品開發到應用推廣的產業化方面，都必須保持足夠的投入和創新。

從根本上來說，量子科技人才短缺仍然是阻礙量子科技發展和競爭力提升的重要因素。因此，無論量子資訊科學看起來多麼深奧，學起來多麼艱澀，但是在未來一定將會成為一門大眾必學必修的一門基礎課程。只有這樣，大批的量子資訊專業人才也才能湧現。

最終，希望這篇文章能夠成為引導讀者關注量子資訊科學和量子通訊產業的一個契機。

參考資料：

1. 袁嵐峰：萬字長文!你完全可以理解量子資訊

2. 吳軍：科技史綱60講

3. 紫金山科技：量子通訊：一場不見硝煙的國際較量