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作者：记者 倪伟波 来源： 发布时间：2016-8-19 15:30:3
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2016年4月26日，安徽合肥正多雨时节。
中共中央总书记、国家主席习近平走进中国科学技术大学，视察量子通信等高新技术。
在察看了量子通信等量子信息科学研究的成果展示后，总书记来到量子通信“京沪干线”和量子科学实验卫星总控中心，听取了万博体育官网-中国足彩网￥app平台:院士、量子科学实验卫星首席科学家潘建伟对于量子通信网络建设、运行和应用情况的详细介绍。
“很有前途、非常重要。”对于量子通信研发工作，总书记给予了充分肯定。同时，总书记指出，这些科研成果表明中国科大在新兴产业发展方面动作快、力度大、成绩明显。
在中国科大人眼中，总书记的这番话不仅是对广大科研人员的鼓励，更是寄予了殷切的期望。
其实，国家对量子通信研发工作的关注由来已久。
2006年2月9日，国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，将以量子通信系统为核心的量子调控技术列入了科技部4项“重大科学研究计划”之一。
2013年7月17日，总书记在万博体育官网-中国足彩网￥app平台考察工作时指出：“科学家们开始调控量子世界，这将极大推动信息、能源、材料科学发展，带来新的产业革命。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。”
时隔两年。2015年11月，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》发布。建议指出，以2030年为时间节点，再部署一批体现国家战略意图的重大科技项目，力争有所突破。在入选的首批重大科技项目中，量子通信再次位列其中。
进入21世纪，信息科学已经从“经典时代”跨越到“量子时代”，成为各国未来高技术的战略竞争焦点之一，量子信息领域产业化的未来潜力也越来越得到世界各国的认可。
如今，量子通信已进入国家顶层设计，国家层面的专项投入和政策扶持更为其快速发展注入了强劲动力。
“无条件”安全
在新一代通信设备和互联网技术高速发展的今天，信息安全领域早已成为世界强国之间无形的战场。
尤其是“棱镜门”事件后，包括通信安全和网络安全在内的信息安全得到了国家和政府的高度关注和空前重视。此后，各国政府快速采取了一系列政策和措施，将信息安全保卫战上升到了国家战略层面。
从理论上来说，传统的数学计算加密方法都是可以破译的，再复杂的数学密钥也可以找到规律。特别是伴随着现代计算机的诞生并飞速发展，破译数学密码的难度系数也逐渐降低，现有的密码系统受到强烈的挑战。
然而幸运的是，量子理论为人类追求信息的“绝对安全”打开了一扇窗。
在保密通信领域，量子通信是迄今为止唯一被严格证明“无条件安全”的通信方式。通过量子通信，人们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，也正因如此，量子通信也被称为是继微电子信息之后，最可能引发军事、经济、社会领域又一次重大革命的关键技术。
量子通信之所以“神奇”，在于其特别的“量子密钥”。量子密钥分发过程被严格证明是绝对安全的，因为它的安全性不依赖于计算的复杂性，而是基于量子力学基本原理，因此不会受到计算能力和数学水平不断提升的威胁。
量子密钥采用具有量子态的物质作为密码，一旦被截获或者被测量，其自身状态就会立刻发生改变。截获量子密钥的人只能得到无效信息，而信息的合法接收者则可以从量子态的改变中得知量子密钥曾被截取过，是否被窃听便可了然于胸。
将量子密钥应用于量子通信中，就是量子保密通信。与传统通信方式相比，量子保密通信采用的是“一次一密”的工作机制。通话期间，密码机每分每秒都在产生密码；一旦通话结束，这串密码就会立即失效，且下次通话不会重复。可以说，利用量子密码系统加密的信息不仅现在是绝对安全的，未来同样绝对安全。
聚焦太空 挑战极限
由于量子通信技术的巨大优势及潜力，世界各国特别是欧盟、美国和日本纷纷投入了大量的人力、物力进行通信的理论和实验研究。
目前，光纤量子密码技术正从点对点量子密钥分发的初级阶段，向实现多节点网络内的量子安全性方向深入发展，全球各地正在加紧进行量子通信系统的实用化和工程化建设。
从各国战略计划看，无论是欧盟联合12成员国发展的基于量子中继和卫星的自由空间量子通信链路，还是美国政、企、校联合展开研制的量子互联网，亦或是日本计划到2040年建成极限容量、无条件安全量子通信网络的目标，各国誓要抢占量子通信未来制高点的“野心”已经明朗。
如今，中国科研团队基于光纤通道的量子密钥分发已突破百公里，但是在通信距离上却难有更大的根本性突破。这是因为作为研究和操纵对象的光子易被信道吸收，造成信号随通信距离成指数地衰减、误码率提高进而导致通信失败。
不仅如此，由于我国幅员辽阔，加之当今世界全球化进程日益加快，短距离的量子保密通信显然无法满足国家政治、经济、军事各方面的要求。
面对严峻的形势，中国科学家们丝毫不敢怠慢，积极谋划，最终将目光聚焦于太空。
在他们看来，发展量子通信技术的最终目标是要实现覆盖全国的、广域乃至全球量子通信，但这一目标必须要通过自由空间光子传输来实现。这是因为大气对某些特定波长的光子吸收非常小，而且大气中几乎没有双折射，从而能将极化纠缠的光子品质保持得很好。
然而，由于受到地面障碍物、地表曲率、地面气象等条件的种种限制，在地面附近难以实现远距离自由空间量子传输。所以，要真正发挥自由空间的优势，必须结合卫星通信和载人飞船技术。
在外太空中，真空的环境对光的传输几乎没有衰减，同样也没有退相干效应。所以若能够将单光子或纠缠光子对传出大气层，配合星载平台技术和光束精确定位技术，就有可能实现自由空间的远距离量子通信。
通过地面站建立地面量子通信网络和空间飞行平台之间的桥梁，就可以将广域分布的地面量子通信网络连接起来，实现真正的广域量子通信。当然，挑战极限的魅力还不止于此。中国科学技术大学教授陈宇翱曾表示：“作为一名科学家，驱使我不断前行的动力在于探寻更多的物理学基础知识。”
到目前为止，人类所进行的大部分对量子力学原理的检验实验都停留在较小尺度的实验室范围，在更大尺度的范围中去检验量子理论的正确性和量子理论预示的各种奇异现象的真实性，一直是很多量子理论科学家梦寐以求的。
例如，在空间大尺度下量子纠缠能否保持？相对论对量子纠缠有何影响？能否在类空间隔条件下实现量子非定域性终极检验？这些空间大尺度量子力学检验实验对于量子理论乃至整个物理学的发展都有着至关重要的意义。
正如沃尔夫物理学奖得主、奥地利科学院量子光学和量子信息研究所科学主管Peter Zoller接受《科学新闻》采访时所说的：“科学的发展是基于对新的前沿进行不断的探索试验，并努力将其攻克征服。”
厉兵秣马 迎难而上
知易行难，任何科学上的突破与创新都非一日之功。进行空间大尺度量子力学检验实验更是如此。
中国量子科学家们首先要面对的便是建立地面和空间飞行平台之间的远距离量子纠缠。为此，他们不断进行技术上的储备，为量子实验科学卫星的诞生夯实基础。
2005年，中国科学技术大学潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。
在星地自由空间量子通信取得重大突破之后，2007年，万博体育官网-中国足彩网￥app平台高瞻远瞩，适时超常规启动了两个知识创新工程重大项目——“远距离量子通信实验研究”和“空间尺度量子实验关键技术与验证”。
在创新工程重大项目的支持下，中国科大与万博体育官网-中国足彩网￥app平台上海技术物理研究所、上海微小卫星工程中心、万博体育官网-中国足彩网￥app平台光电技术研究所等研究机构强强联手，围绕开展空间量子实验的最终目标进行了一系列关键技术的攻关与外场的试验验证。
谋定而动，行且坚毅。中国科学家们用实际行动书写了一个个“传奇”：16公里自由空间量子隐形传态、百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证等重要实验陆续实现，从而为星地量子通信打下了坚实的科学与技术基础。
2011年，万博体育官网-中国足彩网￥app平台果断决策启动量子科学实验卫星项目，并将其纳入空间科学先导专项。在专项的支持下，一支精英队伍很快集结：中国科大负责天地一体化实验系统、量子通信有效载荷及地面站量子终端研制，上海技物所负责空间光跟踪瞄准及航天工程质量管理，上海微小卫星工程中心负责卫星平台研制，万博体育官网-中国足彩网￥app平台国家天文台和万博体育官网-中国足彩网￥app平台光电技术研究所负责量子通信地面站建设。
“日本现在准备做一个单方向的量子密钥传输；加拿大也计划做一个单方向的量子传输试验；欧洲在地面上已经将量子纠缠分发做到了接近100公里。但是在空间的量子科学实验，我们国家还是第一个。”万博体育官网-中国足彩网￥app平台国家空间科学中心主任吴季在面对媒体时曾表示。
本来卫星系统研制就是一个复杂的系统化工程，再加上目前国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间，因此，做第一个吃螃蟹的人，需要勇气，更需要智慧和魄力。
如今，量子科学家们冲云破雾，不负众望，实现了一系列高精尖技术，包括星地光路对准、偏振态保持与星地基矢校正、量子光源载荷等关键技术，用自主创新不断让梦想接近现实。
截至目前，量子科学实验卫星已经完成整机组装，并完成载荷正样产品、卫星平台正样产品研制、整星电测和热平衡等试验，正在上海微小卫星工程中心进行力学试验、磁测试等测试工作。
“整装待发”的量子科学实验卫星再次掳获全世界的目光。
“量子互联网”
量子科学实验卫星整装待发，全世界的物理学家们都热切期待着将量子科学实验“搬上太空”。
“量子科学实验卫星项目有着非常重大的意义，它将会把科学转变为技术：如果实验成功，它将有可能建立比经典物理学更强有力的地面系统与空间系统链接。这将是一个非常激动人心的进展。”美国麻省理工学院物理学教授Vladan Vuletic告诉《科学新闻》。
“量子科学实验卫星除了会进行量子力学的远距离验证之外，还将会让我们首度尝试在非常远的距离之外进行量子通信的原型测试。”波兰格但斯克大学理论物理和天文物理研究所所长Marek Zukowski教授也向《科学新闻》表达了他对该项目的期待。
不过，更为令人期待的是量子科学实验卫星成功发射之后所勾勒出的未来。
全球量子通信网络是量子通信的最终目标，然而这一目标仅靠量子科学实验卫星还无法完成。基于现在的技术水平，全球量子通信网络的构建必须分三步走：构建城域量子通信网、构建城际量子通信网络、构建广域量子通信网。
量子通信城域网建设在中国发展较早，到目前为止，已经运行的城域网络包括芜湖量子政务网、金融信息量子通信验证网、合肥城域量子通信试验示范网、济南量子保密通信试验网、工行北京分行量子通信加密网等。
随着量子通信城域网络在中国的迅速发展和逐步推广，越来越多的城市拥有自己的量子通信专网，上海、杭州、广州、深圳、乌鲁木齐等城市也在加紧建设量子通信城域网。
展望量子通信的前景，潘建伟相信，未来将可以形成天地一体的全球化量子通信基础设施，形成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，构建基于量子通信安全保障的未来互联网，即“量子互联网”。
而在诺贝尔物理学奖得主、美国科学院院士、伊利诺伊大学香槟分校物理学教授Anthony J. Leggett看来，此次量子科学实验卫星上的实验如果能够成功，“肯定会为最终的量子互联网打下坚实的基础”。
通信安全是人类一直的夙愿。如今，量子通信系统的问世，重新燃起了人们对构建“绝对安全”通信系统的希望。在量子物理的指引下，量子科学实验卫星的发射虽只是个开始，但通向绝对安全通信的量子互联网或许不再遥远。■
《科学新闻》 (科学新闻2016年5月刊 匠心)
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