2010年 实现16千米自由空间量子态隐形传输

　　2010 年，中国科学技术大学和清华大学组成的联合小组成功实现了 16 千米的当时世界上最远距离的量子态隐形传输，比此前的世界纪录提高了 20 多倍，该实验结果首次证实了在自由空间进行远距离量子态隐形传输的可行性，向全球化量子通信网络的最终实现迈出了重要一步。

　　2017 年，全球首颗量子科学实验卫星“墨子号” 圆满完成了三大科学实验任务：量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

　　经典通信和量子通信

　　安全地进行信息的传递是千百年来人类的梦想之一，而在今日这个信息技术飞速进步的时代，安全通信却几乎是海市蜃楼。由于经典信息容易被复制，因此保障通信安全的主要方法就是加密信息，使窃取者即使复制了加密后的密文也无法读取原文。人们已经发展出了各种各样的经典密码加密算法，它们主要是利用计算的复杂性来确保通信安全的—窃听者在没有解密密钥的情况下，在有限的时间内无法完成破译所需的大量计算。但是这种方法的安全性在理论上缺乏证明—数学的不断进步可能使一些现在看起来无法利用数学方法破解的加密和解密算法在未来得以破解，因此这种方法远不能保证建造“绝对安全”的通信系统，而且在实际应用中也存在着加密和解密效率低下等诸多问题。更严峻的是， 随着计算科学和技术的发展，人类所拥有的计算能力的提升速度和潜力已远远超过了人们最初的想象，经典密码加密技术对于通信安全的保障能力也显得远非人们预先估计的那么可靠。尤其是20 世纪 70 年代以来，量子计算概念的提出和它的初步实验演示， 更如同经典密码安全性上方高悬的“达摩克利斯之剑”，随时威胁着经典通信系统的安全。

《科学》杂志封面量子通信相关论文

　　量子通信系统的问世，重新点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。根据量子物理的基本原则，未知“量子”的态不能被精确地复制，任何探测它的企图都会改变它的状态。那么， 被某人拥有的“量子态”，就不能被其他任何人偷窥，因为可以通过检测“量子态”是否改变，知道是否有人试图窥测过这个“量子态”。当我们利用“量子态”来记载经典信息时，这种奇妙的性质就可以保证无人再能窥探那些“不能说的秘密”。通向“绝对安全通信”这个千百年来人类梦想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新显露在视野之中。

　　广义地说，量子通信指利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术。量子通信内涵很广泛，量子隐形传态、量子保密通信、量子密集编码等都属于量子通信领域。由于量子保密通信是目前最接近实用化的量子信息技术，也是人类目前掌握的唯一的无条件安全密码技术，因此我们日常提到量子通信时常常特指量子保密通信。

　　量子通信不依赖于计算的复杂性，而是基于量子物理学的基本原理，无论是现在还是将来，无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多强大的破译能力，只要量子力学规律成立，由量子通信建立起的秘密就无法被破解。从而从根本上克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明无条件安全的通信方式，可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。

　　中国量子通信技术的发展与规划

　　经过 20 年的发展，量子通信技术已经从实验室演示走向产业化和实用化，目前正在朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展。由于量子通信是事关国家信息安全和国防安全的战略性领域，且有可能改变未来信息产业的发展格局，因此成为世界主要发达国家和地区如欧盟、美国、日本、瑞士等优先发展的科技和产业高地。我国政府也高度重视量子通信技术的发展，积极应对激烈的国际竞争。近年来，在中国科学院、科学技术部、国家自然科学基金委员会等部门以及有关国防部门的大力支持下，我国科学家在发展可实用量子通信技术方面开展了系统性的深入研究，在产业化预备方面一直处于国际领先水平。

　　《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006 — 2020 年）》将“量子调控研究”列入科技部四项“重大科学研究计划”之一；以量子调控及量子信息为研究主线的合肥微尺度物质科学国家实验室是科技部 2003 年批准筹建的首批五个国家实验室之一；国家自然科学基金委员会专门设立了“单量子态的探测及相互作用”“精密测量物理”等重大研究计划；中国科学院在前瞻性部署实施两项知识创新工程重大项目的基础上，在量子信息领域启动了两个战略性先导科技专项“量子科学实验卫星” 和“量子系统的相干控制”；国家发展改革委员会实施了量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目；有关国防部门也部署了系列预先研究：“天宫二号”空地量子密钥分配专项和演示验证等项目。2016 年 3 月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》发布，其中量子通信和天地一体化信息网成为十大重点推进项目，极大地推动了量子通信军用、民用大规模建设和应用。2016 年，国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项开始实施。2016 年 8 月，我国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，完成多项科学实验目标。2016 年 11 月，量子保密通信骨干网“京沪干线”顺利开通。2017 年 6 月，量子通信与信息技术特设任务组在中国通信标准化协会成立，启动了国家标准的研究工作。

　　我国量子通信技术已跻身全球领先地位，受到国际社会的广泛关注。“十三五”规划中明确提出要在量子信息科技领域部署重大科技项目，组建新型国家实验室。中国科学院积极配合这一国家战略，成立了量子信息与量子科技创新研究院，初步凝聚了国内相关的优势研究力量开展协同攻关。按照规划，到2030 年左右，中国将建成全球化的广域量子通信网络。

　　自由空间量子态隐形传输

　　通常来讲，量子通信分为两种，一种是量子密钥分发，另一种是量子态隐形传输。前者是利用量子的不可复制性以及测量的随机性来生成量子密码，给传统的数字通信加密；后者是利用量子纠缠直接传送量子比特。量子态隐形传输是给未来的量子计算机之间的通信使用。量子通信的目标并不是取代传统的数字通信。比如量子密钥分发，它本身是为了让传统的数字通信变得更安全，并不能独立存在。而量子态隐形传输则完全取决于量子计算机的发展。只有未来所有的经典计算机都被量子计算机取代了，才会完全使用这种通信方式。但问题是，量子计算机和传统计算机就好比核武器和常规武器，是不可能完全取代彼此的。未来应该是量子通信和传统通信一起构建天地一体化通信网络。

　　2004 年，中国科学技术大学潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。潘建伟团队也是国内唯一领衔开展自由空间（星－地）量子通信实验研究的团队。在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而光子一旦穿透大气层进入外层空间，其损耗接近于零，这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。

　　2005年，该团队在国际上首次在相距 13 千米的两个地面目标之间实现了自由空间中的纠缠分发和量子通信实验，明确表明光量子信号可以穿透等效厚度约 10 千米的大气层实现地面站和卫星之间自由空间保密量子通信。

　　从 2007 年开始，中国科学技术大学 - 清华大学联合研究小组在北京八达岭与河北怀柔之间架设长达 16 千米的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在 2010 年成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。这一实验和基于卫星平台的量子通信实验研究一起，为真正实现地面与卫星间的量子通信实验积累了相关技术经验。

　　2008 年，该团队在上海天文台对高度为 400 千米的低轨卫星进行了星－地量子信道传输特性实验，验证了星 - 地量子信道的传输特性，首次完成星 - 地单光子发射和接收实验。2012 — 2013 年，该团队实现了百千米自由空间量子态隐形传输和纠缠分发，并实现了星 - 地量子通信可行性的全方位地面验证。这些研究工作通过地基实验，坚实地证明了实现基于卫星的全球量子通信网络和开展空间尺度量子力学基础检验的可行性。

　　“墨子号”完成三大实验任务

　　中国科学院战略性先导科技专项量子科学实验卫星“墨子号”于 2016 年 8 月 16 日发射，在国际上率先实现高速的星 - 地量子通信网络，初步构建我国的广域量子通信体系，同时可实现空间尺度量子力学非定域性检验，探索对广义相对论、量子引力等基本理论的实验检验。

量子纠缠分发示意图

　　星 - 地量子纠缠分发实验 这是“墨子号”量子卫星的三大科学实验任务之一，是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。“墨子号”量子科学实验卫星过境时，同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路，量子纠缠光子对从卫星到两个地面站的总距离平均达 2000 千米，跟瞄精度达到 0.4 微弧度。这是世界上首次实现千千米量级的量子纠缠。

　　卫星上的纠缠源载荷每秒产生 800 万个纠缠光子对，建立光链路可以以 1 对 / 秒的速度在地面超过 1200 千米的两个站之间建立量子纠缠，该量子纠缠的传输衰减仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下，获得的实验结果以 4 倍标准偏差违背了贝尔不等式， 即在千千米的空间尺度上实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

　　星 - 地高速量子密钥分发实验 这是“墨子号”量子卫星的三大科学实验任务之一。量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号、地面接收的方式，“墨子号”过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离 645 ～ 1200 千米。在 1200 千米通信距离上，星 - 地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高 20 个数量级（万亿亿倍）。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送 4000 万个信号光子，一次过轨对接实验可生成 300千字节的安全密钥，平均成码率可达 1.1 比特率。这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星 - 地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线等城际光纤量子保密通信网互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。《自然》杂志的审稿人称赞星 - 地量子密钥分发成果是“令人钦佩的成就”和“本领域的一个里程碑”，并断言“毫无疑问将引起量子信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣，以及公众媒体极为广泛的报道”。

量子密钥分发示意图

　　星 - 地量子隐形传态实验 这是“墨子号”量子卫星的三大科学实验任务之一。量子隐形传态（即量子态隐形传输）采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式，“墨子号”过境时，与海拔 5100 米的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例，地面向卫星发射纠缠光子，实验通信距离 500 ～ 1400 千米，所有 6 个待传送态均以大于 99.7% 的置信度超越经典极限。倘若在同样长度的光纤中重复这一工作， 则需要 3800 亿年（宇宙年龄的 20 多倍）才能观测到 1 个事例。这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。

　　量子保密通信领域的开拓者

　　习近平总书记 2013 年 7 月 17 日在中国科学院考察工作时发表的重要讲话中指出：“量子通信已经开始走向实用化，这将从根本上解决通信安全问题，同时将形成新兴通信产业。”

　　在光纤量子通信领域中，远距离光纤量子通信骨干网络“京沪干线”于 2017 年 9 月 29 日正式开通。“京沪干线”全长2000 多千米，连接北京、上海，贯穿济南、合肥等地，可为沿线城市间的金融机构、政府及国家安全部门提供高速、高安全等级的信息传输保障。开通当日，结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路，中国科学院院长白春礼使用量子加密视频会议系统，分别与合肥、济南、上海、新疆等地成功地进行了通话，随后，又与奥地利科学院院长安东·塞林格进行了世界首次洲际量子保密通信视频通话，这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实一步。在国家发改委的支持下，中国科学技术大学研究团队正在构建范围更广的光纤量子通信网络—国家广域量子保密通信骨干网。相信经过 10 年左右的努力，量子通信网络将具备覆盖千家万户的条件。

北京兴隆站跟星

　　这些成果标志着我国天地一体化广域量子通信网络雏形已经形成，未来将进一步推动量子通信技术在金融、政务、国防、电子信息等领域的大规模应用，建立完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统，最终构建基于量子通信安全保障的量子互联网。我国也将进一步发展新一代卫星量子通信技术，计划在未来 5 年内研制并发展中高轨量子通信卫星， 实现全天时星 - 地量子通信及星间量子通信，并建立与地面城域光纤量子通信网络的无缝连接，初步实现能够业务化运行的广域量子通信网络服务。我国科研团队有信心在未来保持和扩大我国的领先优势，在激烈的国际竞争中赢得新一轮量子科技革命的战略主动权。

　　（图文 / 中国科学院量子信息与量子科技创新研究院）

　　本文摘自《改革开放40年科技成就撷英》，经中国科学技术出版社授权发布