“量子”已經(jīng)是當下的熱門(mén)研究領(lǐng)域。作為吃瓜群眾，可能用過(guò)“遇事不決，量子力學(xué)”的梗，也可能交過(guò)“量子茶杯”的智商稅……不過(guò)，到底量子科技是什么？你知道嗎？圍繞量子信息科技主題，潘建偉院士團隊撰寫(xiě)了本科普文章，對量子信息科技進(jìn)行了較為完整的介紹和展望。
信息安全是事關(guān)國計民生的重大戰略領(lǐng)域。傳統的信息安全通過(guò)依賴(lài)于計算復雜度的加密算法來(lái)實(shí)現，然而隨著(zhù)計算能力的飛速發(fā)展，依賴(lài)于計算復雜度的傳統加密算法面臨著(zhù)日益加劇的安全風(fēng)險。
基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信是迄今唯一原理上無(wú)條件安全的通信方式。
量子密鑰分發(fā)是指利用量子態(tài)來(lái)加載信息，通過(guò)一定的協(xié)議產(chǎn)生密鑰。量子力學(xué)基本原理保證了密鑰的不可竊聽(tīng)，從而實(shí)現安全的量子保密通信。量子保密通信的安全性基于物理學(xué)基本原理，與計算復雜度無(wú)關(guān)，即使未來(lái)強大的量子計算機問(wèn)世也不會(huì )對其安全性形成威脅。
量子保密通信是最先走向實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的量子信息技術(shù)。通過(guò)量子密鑰分發(fā)所生成的安全密鑰，除了原理上無(wú)條件安全的“一次一密”加密方式外，還可以與經(jīng)典對稱(chēng)加密算法相結合，兼顧安全性與通信速率。例如，按照現有技術(shù)水平，量子密鑰分發(fā)與AES(高級加密標準)加密算法相結合，可以達到Gbps(交換帶寬)的通信速率，同時(shí)大幅提升種子密鑰的更新率，有效提升通信安全水平。此外，也可與下一代的“PQC(抗量子計算密碼)”相結合，增強身份認證等的安全性。
廣域量子通信的發(fā)展路線(xiàn)
量子通信的發(fā)展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )體系。通過(guò)光纖實(shí)現城域量子通信網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)而通過(guò)中繼器實(shí)現鄰近兩個(gè)城市之間的連接，最終通過(guò)衛星平臺的中轉實(shí)現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展路線(xiàn)。
在城域量子通信網(wǎng)絡(luò )方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先后建成國際上首個(gè)全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò )、首個(gè)量子政務(wù)網(wǎng)以及首個(gè)規�；怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò )，并在這一過(guò)程中將相關(guān)技術(shù)發(fā)展成熟，自主研制的量子保密通信裝備已經(jīng)為很多重要活動(dòng)提供了信息安全保障。
在基于可信中繼的城際量子通信網(wǎng)絡(luò )方面，國際上首條遠距離光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線(xiàn)”，于2016年底全線(xiàn)貫通。干線(xiàn)全長(cháng)2000余公里，連接北京和上海，貫穿濟南、合肥等地。在沿線(xiàn)金融、政務(wù)、電力等部門(mén)的合作下，開(kāi)展遠距離量子保密通信的技術(shù)驗證與應用示范。
在“京滬干線(xiàn)”應用示范的基礎上，國家發(fā)展改革委于2018年2月批復了“國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò )”項目，將覆蓋京津冀、長(cháng)三角、粵港澳、成渝等重要區域，推動(dòng)量子保密通信的規�；瘧�。
在星地自由空間量子通信方面，在中國科學(xué)院的支持下，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所、微小衛星創(chuàng )新研究院等單位，研制成功世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”。
“墨子號”于2016年8月發(fā)射升空，在國際上率先實(shí)現了星地量子通信，首次實(shí)現了距離達7600公里的洲際量子通信，充分驗證了基于衛星平臺實(shí)現全球化量子通信的可行性。
利用“墨子號”積累的成功經(jīng)驗，量子衛星的研制成本已由數億元降到千萬(wàn)元量級，預計2022年初小型化量子衛星將發(fā)射升空，為構建低成本的星群奠定基礎。地面接收站的重量也已由十幾噸降到100公斤左右，可初步支持移動(dòng)量子通信。結合“墨子號”量子衛星與“京滬干線(xiàn)”，我國率先構建了天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò )的雛形，成為近年來(lái)國際量子信息研究的一大標志性事件。
量子通信技術(shù)應用推廣
2020年10月16日，中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學(xué)習，習近平總書(shū)記主持學(xué)習并指出，“統籌基礎研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，培育量子通信等戰略性新興產(chǎn)業(yè)，搶占量子科技國際競爭制高點(diǎn)，構筑發(fā)展新優(yōu)勢”�！熬删�(xiàn)”和“墨子號”量子衛星等，都是基于我國前期，10余年的基礎和應用研究成果而進(jìn)行的工程化集成與驗證項目，為核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應用標準的制定和未來(lái)規�；膽闷鸬搅肆己玫氖痉缎Ч�，穩步推進(jìn)了量子保密通信在商業(yè)和國家安全領(lǐng)域的應用。
在核心量子通信器件方面，中國電子科技集團有限公司、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院上海微系統與信息技術(shù)研究所等實(shí)現了通信波段單光子探測器和量子隨機數產(chǎn)生器等主要器件的初步國產(chǎn)化，打破了國外禁運的壁壘。在未來(lái)2至3年，通過(guò)關(guān)鍵器件的芯片化，量子加密設備的尺寸可縮小到手機大小，并大幅降低成本。相關(guān)應用標準制定方面，在我國50余家科研機構和企業(yè)的積極參與下，中國通信標準化協(xié)會(huì )、全國信息安全標準化技術(shù)委員會(huì )、密碼行業(yè)標準化技術(shù)委員會(huì )等國家標準組織，圍繞量子保密通信技術(shù)的互聯(lián)互通、安全測評、應用服務(wù)等方面，編制了多項國家標準和行業(yè)標準。我國學(xué)者突破了美加等西方國家的阻礙，在國際電信聯(lián)盟發(fā)起成立了國際首個(gè)涵蓋量子信息全領(lǐng)域的標準化組織，目前正在牽頭編制多項國際標準。
量子通信技術(shù)發(fā)展前景
近年來(lái)，我國學(xué)者在單光子雷達領(lǐng)域已取得了一批具有國際影響力的成果：突破了常溫下探測紅外單光子的量子效率極限，實(shí)現了遠距離紅外單光子大氣雷達探測；實(shí)現了大氣風(fēng)場(chǎng)的晝夜連續探測，并創(chuàng )造了200公里的單光子成像最遠距離世界紀錄。
同時(shí)，利用單光子雷達能夠對隱藏在視線(xiàn)外的物體進(jìn)行觀(guān)測，即“非視域成像”，實(shí)現“隔墻觀(guān)物”，在反恐防暴、緊急救援等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景;實(shí)現了遠距離非視域成像，首次將成像距離從米級提高到公里級，極大地推動(dòng)了非視域成像技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展。
量子通信研究中發(fā)展的單光子探測技術(shù)還可以極大地提升傳統激光雷達的探測靈敏度、探測距離、分辨率等性能，即“單光子雷達”。單光子雷達可以實(shí)現對遠距離、高精度軟目標(大氣)和硬目標(物體)的探測，已經(jīng)在對地測繪、遠程預警、全球態(tài)勢感知、大氣污染檢測和預報、航空航天作業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。
得益于我國率先開(kāi)展了廣域量子通信的技術(shù)驗證與應用示范，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已初步滿(mǎn)足實(shí)用化要求，核心器件的國產(chǎn)化和設備的小型化已初步實(shí)現，具備了在關(guān)鍵部門(mén)先行先試的條件。在激烈的國際競爭環(huán)境下，當前正是我國加快推進(jìn)量子保密通信應用，盡早形成信息安全非對稱(chēng)優(yōu)勢的最佳時(shí)機。通過(guò)10年左右的努力，我國有望構建完整的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)體系，為形成未來(lái)自主可控的國家信息安全生態(tài)提供重要保障。
