量子通信離我們還有多遠？產(chǎn)業(yè)化正計劃推進

　　中國

　　基礎研究一流，產(chǎn)業(yè)化正有計劃推進

　　中國涉足量子通信研究的時間與西方國家相當。1997年，中國科學家潘建偉即參加了在奧地利進行的“量子態(tài)的隱形傳輸”試驗，該試驗堪稱國際上首次實現(xiàn)，對量子通信至關(guān)重要。其研究論文在世界權(quán)威刊物一經(jīng)發(fā)表，便很快被公認為是量子信息實驗領域的開山之作。過去10余年中，潘建偉研究團隊對量子通信領域的開創(chuàng)性探索貢獻突出：一是在2004年、2007年和2012年曾先后分別實現(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)刷新了世界紀錄，同歐美國家近一兩年才實現(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”的實驗與制作，為向未來廣域量子通信網(wǎng)絡直至全球網(wǎng)絡的最終實現(xiàn)邁出了最重要步驟。三是對遠距離量子通信與空間尺度量子實驗關(guān)鍵技術(shù)的驗證，接連實現(xiàn)了一個又一個長距離量級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算、量子信息技術(shù)應用與實施奠定了堅實底基。

　　合肥城域量子通信試驗示范網(wǎng)于2010年年中啟動建設，一年多后建成。試運行證明，各項功能、指標均達到了設計預定要求。該項目已于2012年年初正式有計劃、分步驟地投入了工程應用。合肥量子通信網(wǎng)的建成使用，標志著我國繼量子信息基礎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)化競爭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，我國還在濟南這座東部城市實施了量子通信網(wǎng)的建設。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，皖魯兩地亦會表現(xiàn)出各有特色、彼此分工聯(lián)動態(tài)勢。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。

　　按照我國量子通信研發(fā)、推廣預定計劃，北京、上海以及最邊遠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。這幾處城域網(wǎng)的建成，以及同合肥、濟南城域網(wǎng)的呼應與配合，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利用量子衛(wèi)星等方式加強信息連接，形成我國的廣域量子通信體系。中國科學院同中國科技大學聯(lián)合，已準備在2015年或2016年發(fā)射世界首顆“量子通信實驗衛(wèi)星”。此項方案一旦落實，將無疑是驚動國際科技界和產(chǎn)業(yè)界的一樁大事件。

　　美國

　　最先列入國家戰(zhàn)略，實現(xiàn)系列突破

　　美國對量子通信的理論和實驗研究開始較早，并最先被列入到國家戰(zhàn)略、國防和安全的研發(fā)計劃。

　　1999年，美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室量子信息研究團體就實現(xiàn)了500米的自由空間傳輸。2003年，美國國防部高級研究計劃署又領銜建設了DARPA量子通信技術(shù)試驗網(wǎng)絡。2004年，美國馬薩諸塞州劍橋城正式投入運行了世界上第一個量子密碼通信網(wǎng)絡，網(wǎng)絡傳輸距離約為10公里。2006年，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室進一步實現(xiàn)了誘騙態(tài)(量子通信中的“誘騙態(tài)”，是指為了實現(xiàn)量子通信過程的絕對安全性等性能目標，憑借量子密鑰分發(fā)而對各種有益或無益信息進行有引導處理，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，并實現(xiàn)了超過100公里的量子保密通信實驗。2007年，美國科學家讓兩個獨立原子實現(xiàn)了量子糾纏和遠距離量子通信。2009年，美國DARPA曾建成城域量子通信演示網(wǎng)。同一年，美國麻省理工學院科學家繼續(xù)在冷原子中量子存儲和波動研究領域有了新的突破，該方面技術(shù)是設計量子信息網(wǎng)絡的關(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。

　　上世紀末，美國政府便將量子信息列為“保持國家競爭力”計劃的重點支持課題，隸屬于政府的美國國家標準與技術(shù)研究所更將量子信息作為三個重點研究方向之一。美國加州理工大學、麻省理工學院和南加州大學聯(lián)合成立了量子信息與計算研究所，直接歸美國軍隊研究部門管轄。2009年，美國政府發(fā)布的信息科學白皮書，明確要求各科研機構(gòu)協(xié)調(diào)開展量子信息技術(shù)研究。同年，美國相關(guān)機構(gòu)不僅及時地建成了城域量子通信演示網(wǎng)，還取得了量子存儲和波動研究的新突破。2011年，美國國家標準與技術(shù)研究所的科學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)為對象的長期研究戰(zhàn)略，并計劃在2020—2030年間建成絕對安全保密的高速量子通信網(wǎng)，從而實現(xiàn)通信技術(shù)應用上的質(zhì)的飛躍。為此，日本郵政省還特地把量子通信作為21世紀全國戰(zhàn)略項目，并專門制訂了跨度為10年的中長期定向研究目標。2000年以來，日本的一些著名大公司和高校，始終在堅持不懈地研發(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)，亦進展顯著。

　　美國和歐盟在量子通信領域的一連串突飛猛進，使日本備感形勢緊迫。早在2000年，日本郵政省就將量子通信技術(shù)作為一項國家級高技術(shù)列入開發(fā)計劃，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)出了差動移相量子密碼發(fā)送協(xié)議，并應用到試運行網(wǎng)絡上。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)和日本玉川大學利用光的量子擾動現(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，日本一研究團體開發(fā)的量子密鑰技術(shù)，在現(xiàn)實條件下實現(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，使其更實用化。2009年，日本日立公司和東京大學科學家又共同開發(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構(gòu)的量子ICT集團，受托與多家電氣、電機、電信電話公司合作，在超高速寬帶網(wǎng)絡上采用量子密碼技術(shù)，已開發(fā)出了不能竊密的多點電視會議系統(tǒng)，并開始投入試運行。2011年，日本上述研究機構(gòu)的同一集團將量子密碼技術(shù)應用于電視會議系統(tǒng)，充分實現(xiàn)了世界上最快的密鑰生成速度。

　　歐洲

　　聯(lián)合攻關(guān)，為鋪設量子互聯(lián)網(wǎng)做準備

　　歐盟推出了用于發(fā)展量子信息技術(shù)的“歐洲量子科學技術(shù)”計劃以及《歐洲量子信息處理與通信》計劃，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，1993至2011年期間，英國、瑞士、奧地利、德國、法國、瑞典諸國的科學家曾連續(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等一系列根本性突破。以上種種成功推動，很大程度又是在為下一步量子互聯(lián)網(wǎng)的全面建設鋪平道路。

　　英國從事量子通信的理論與實驗研究，同美國時間相差不遠。還在1993年，英國國防研究部在光纖中就實現(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)瓦大學一對三的網(wǎng)絡量子密碼通信演示實驗取得成功。同一年，日內(nèi)瓦大學通過在日內(nèi)瓦湖底鋪設的23公里民用光通信光纜進行了實地表演。也在那年，英國又成功實現(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，在光纖中成功地進行了40公里的量子密碼通信實驗。2002年，德國慕尼黑大學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—維也納大學聯(lián)合研究團隊既成功地實現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時又實現(xiàn)了超過100公里的量子保密通信實驗。2007年，由奧地利、英國、德國等多國科學家合作，在量子通信中圓滿實現(xiàn)了通信距離達144公里的最遠紀錄。2008年，意大利和奧地利科學家研究團隊首次識別出從地球上空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備。