洪荒之力也解不开的秘钥 ——全球首颗量子卫星发射成功

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，安全通信却几乎成为海市蜃楼。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——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得一些现在看起来无法利用数学方法破解的加密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了。尤其是上世纪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。

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”，就不能被任何其他人偷窥，因为可以通过检测“量子态”是否改变，从而知道是否有人试图窥测这个“量子态”。当我们利用“量子态”来记载我们的经典信息时，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。

量子通信原理

单个光量子不可分割和量子不可克隆原理这些量子世界的奇特性质，可以为我们提供一种新型的安全通信方式，我们称为量子密钥分发、量子保密通信或简称量子通信。在量子通信过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。窃听者可能用三种方法进行窃听。

第一种方法是将单光子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。但由于单光子不可分割，因此这是不可能的。

第二种可能的方法是窃听者可能希望截取单光子后，测量其状态，然后根据测量结果发送一个新光子给接收方。但由于窃听者不能精确地对光子的状态进行测量，她/他发送给接收方的光子的状态与其原始状态会存在偏差。

这样，发送方和接收方可以利用这个偏差来探测到窃听者对光子的测量扰动，从而检验他们之间所建立的密钥的安全性。第三种可能的方法是窃听者截取单光子后，通过复制单光子的状态来窃取信息。但按照前面所讲的量子不可克隆原理，未知的量子态不可能被精确复制。因此，量子通信是基于量子力学的基本原理，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。

全球首颗量子卫星8月16日凌晨发射

量子通信的发展历史与国内外现状

1984年，美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard共同提出了第一个量子密码通信方案，即著名的BB84方案，标志着量子通信领域的诞生。但他们的论文当时发表在一个会议上，因此未能引起广泛的关注。

1992年，Bennett提出了简化的BB84方案（称为B92方案）并和Bessette合作，第一次实验上原理性演示了量子密钥分发。此后，量子密码分配开始得到各方的重视。

从1993年到2005年这个阶段，实验技术发展得很快。1995年，中科院物理所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。

2000年，该小组又与中科院研究生院合作利用单模光纤完成了1.1公里的量子密钥分发演示实验。

2002年至2003年间，瑞士日内瓦大学Gisin小组和我国华东师范大学曾和平小组分别在67公里和50公里光纤中演示了量子密钥分发。

2004年，英国剑桥Shields小组和日本NEC公司分别实现了122公里和150公里的光纤量子密钥分发演示性实验。

2005年，中国科大郭光灿小组在北京和天津之间也实现了125公里光纤的量子密钥分发演示性实验。

到2005年时，国际上已经有三个实验小组声称可以将通信距离达到100公里以上，但是理论研究上的深入，却表明由于当时普遍使用弱相干光源模拟理论方案中的单光子源，因此当时所有的量子通信实验实际都是存在安全隐患的，使得当时的安全通信距离只有10公里量级，不具有实用价值。

2005年，华人科学家王向斌、罗开广、马雄峰和陈凯等共同提出了基于诱骗态的量子密钥分发实验方案，从理论上把安全通信距离大幅度提高到100公里以上。

2006年，中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里的光纤量子密钥分发实验。同时，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室-美国国家标准局联合实验组和Zeilinger教授领导的欧洲联合实验室也使用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里量子密钥分发。这三个实验同时发表在国际著名物理学期刊《物理评论快报》上，真正打开了量子通信技术应用的大门，量子通信得以从实验室演示开始走向实用化和产业化。

广域量子通信的发展路线图

量子通信发展的前景

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如欧盟、美国、日本、瑞士等优先发展的科技和产业高地。

在欧洲，欧盟于2008年发布了《量子信息处理与通信战略报告》，提出了欧洲量子通信的分阶段发展目标，包括实现地面量子通信网络、星地量子通信、空地一体的千公里级量子通信网络等。

2008年9月，欧盟发布了关于量子密码的商业白皮书，启动量子通信技术标准化研究，并联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立了“基于量子密码的安全通信”(SECOQC)工程，这是继欧洲核子中心和国际空间站后又一大规模的国际科技合作。同年，该工程在维也纳现场演示了一个基于商业网络的包含6个节点的量子通信网络。

2016年4月19日，欧盟委员会正式宣布计划启动总额10亿欧元的量子技术旗舰项目，目标是建立极具竞争性的欧洲量子产业，包括量子通信、量子计算及量子测量等，以增强欧洲在量子研究方面的科学领导力和卓越性，而英国政府早在2015年初就已先期配套约3亿英镑用于支持该量子旗舰项目的启动。

在美国，美国国防部2013-2017年科技发展“五年计划”中，将“量子信息与控制技术”列为未来重点关注的六大颠覆性研究领域，同时将IBM、美国国防部高级研究计划署（DARPA）、中国科学技术大学、美国洛克希德马丁公司和日本NTT公司列为该领域的重要研究机构；美国国防部支持的“高级研究与发展活动”(ARDA)计划到2014年将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络。国防部高级研究计划署（DARPA）和Los Alamos国家实验室于2009年分别建成了两个多节点量子通信互联网络，并与空军合作进行了基于飞机平台的自由空间量子通信研究。

2014年，美国航空航天局（NASA）正式提出了在其总部与喷气推进实验室（JPL）之间建立一个直线距离600公里、光纤皮长一千公里左右的包含十个骨干节点的远距离光纤量子通信干线的计划，并计划拓展到星地量子通信。同年，全球最大的独立科技研发机构美国Battelle公司提出了商业化的广域量子通信网络规划，计划建造环美国的万公里量子通信骨干网络，为谷歌、IBM、微软、亚马逊等公司的数据中心之间提供量子通信服务。

日本也提出了量子信息技术长期研究战略，目前年投入2亿美元，规划在5至10年内建成全国性的高速量子通信网。日本的国家情报通信研究机构（NICT）也启动了一个长期支持计划。日本国立信息通信研究院计划在2020年实现量子中继，到2040 年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。

2010年，日本NICT主导，联合当时欧洲和日本在量子通信技术上开发水平最高的公司和研究机构，在东京建成了6节点城域量子通信网络“Tokyo QKD Network”。东京网在全网演示了视频通话，并演示网络监控。

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，在中科院、科技部、基金委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。

2006年，潘建伟团队在有关国防部门的要求下开始开展量子通信装备预先研究项目。

2008年，该团队在合肥市实现了国际上首个全通型量子通信网络，并利用该成果为60周年国庆阅兵关键节点间构建了“量子通信热线”，为重要信息的安全传送提供了保障。

2009年，该团队又在世界上率先将采用诱骗态方案的量子通信距离突破至200公里。

2011年起，潘建伟团队承担了首个相关国防装备演示验证项目，为型号研制和最终装备奠定了技术基础。

2012年，该团队在合肥市建成了世界上首个覆盖整个合肥城区的规模化（46个节点）量子通信网络，标志着大容量的城域量子通信网络技术已经成熟。同年，该团队与新华社合作建设了“金融信息量子通信验证网”，在国际上首次将量子通信网络技术应用于金融信息的安全传输。

2012年底起，潘建伟团队的最新型量子通信装备在北京投入常态运行，为“十八大”、 纪念抗战胜利70周年阅兵等国家重大活动提供信息安全保障。

2013年，潘建伟团队又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他们成功开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器，并利用该单光子探测器在国际上首次实现了测量器件无关的量子通信，成功解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患，大大提高了现实条件下量子通信系统的安全性。

潘建伟团队在基于量子存储的量子中继研究方面处于国际领先地位。量子中继器的核心在于量子存储，一直以来都是重大的挑战。没有量子存储器，实现量子通信的成本将随通道长度指数增加。

2001年，结合线性光学和原子系综，旅美学者段路明及其同事建议了一个实现量子中继器实现方案（DLCZ方案），但是该方案难以在现实通信环境中实现。

为了克服相关的缺陷，2006年潘建伟团队又提出了一种容错的量子中继器方案（哈佛大学的Lukin小组也独立地提出了类似的理论方案），忠实地给出了原始的量子中继器的一个物理实现方法。基于这些方案，国际上有多个实验小组先后开展了原子系综相关的实验研究，如哈佛大学的Lukin小组、加州理工学院的Kimble小组、乔治亚理工学院的Kuzmich小组、中国科学技术大学和德国海德堡大学的潘建伟联合小组等。这方面的研究已取得了一系列激动人心的进展，包括实现了可控的单光子源、单光子的读出和异地存储、光子－原子系综纠缠等。

2008年，潘建伟团队利用冷原子量子存储首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，完美演示了量子中继器。

2009年，该团队又将量子存储的时间提高到毫秒量级，较之前最好的结果提高了两个量级。

2012年，该团队成功实现了3.2毫秒的存储寿命及73%的读出效率的量子存储，为当时国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果；最近，该团队又实现了220毫秒的存储寿命及76%的读出效率的量子存储，已可满足600公里量子中继的需求。

潘建伟团队还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。

2005年，该团队在国际上首次在相距13公里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公里的大气层实现地面站和卫星之间自由空间保密量子通信。

2007年，该团队在长城实现了16公里水平高损耗大气信道的量子态隐形传输，这是国际第一个远距离自由空间隐形传态实验，实现了四个Bell态的完全测量和主动幺正变换。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公里的低轨卫星进行了星地量子信道传输特性试验，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年至2013年间，该团队实现了百公里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。

正如习近平总书记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的：“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。”

2013年，千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”正式立项，将于2016年下半年建成连接北京、上海，贯穿济南、合肥等地的千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台，推动量子通信技术在国防、政务、金融等领域的应用，带动相关产业发展。

中国科学院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”也将于2016年7月发射，将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。英国《自然》杂志在其专门报道潘建伟团队量子通信工作的长篇新闻特稿“量子太空竞赛”中指出：“在量子通信领域，中国用了不到十年的时间，由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅；中国将领先于欧洲和北美……”。

量子通信正在经历着从基础研究向应用技术转化的进程。电子信息产业界的巨型集团，例如IBM、AT&T、Bell实验室、英国电话电报公司、德国西门子公司等都纷纷投入量子通信的产业化研究中。未来，随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现，作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，量子密码极有可能会进入千家万户，服务于大众，成为电子政务、电子商务、电子医疗、生物特征传输和智能传输系统等各种电子服务的驱动器，为当今这个高度信息化的社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。

（编辑：潘妮 余寒静）