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【节选】量子通信技术发展现状

量子通信国内外发展情况

  量子通信是近30年发展起来的新兴交叉学科,基本思想主要由美国科学家Bennett等于20世纪80年代起提出,主要包括量子密钥分发(QKD)和量子态隐形传输。

  量子密钥分发可以建立安全的通信密码,通过“一次一密”的加密方式实现点对点的安全通信。

  量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量,实现量子态(量子信息)的空间转移而又不移动量子态的物理载体,这如同将密封信件内容从一个信封内转移到另一个信封内而又不移动任何信息载体自身,颠覆了传统通信的传输模式。

  国外研发动态

  美国对量子通信的理论和实验研究开始较早,是最先将量子技术列入国家战略、国防和安全研发计划的国家。20世纪末,美国政府便将量子信息列为“保持国家竞争力”计划的重点支持课题。2006年,美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室进一步完善了诱骗态方案,并实现了超过100km的量子保密通信实验。2007年,美国科学家让两个独立原子实现了量子纠缠和远距离量子通信。2009年,美国国防高级研究计划局(DARPA)和洛斯阿拉莫斯国家实验室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,建成城域量子通信演示网。同年,美国麻省理工学院科学家继续在冷原子中量子存储和波动研究领域有了新的突破,该方面技术是设计量子信息网络的关键。近期,美国航空航天局(NASA)计划在其总部与喷气推进实验室(JPL)之间建立一个直线距离600km、光纤皮长1000km左右的包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线,并计划拓展到星地量子通信。

  欧盟推出了用于发展量子信息技术的“欧洲量子科学技术”计划以及“欧洲量子信息处理与通信”计划,这是继欧洲核子中心和航天技术采取国际合作之后,又一针对重大科技问题的大规模国际合作。2006年,欧洲慕尼黑大学与维也纳大学联合研究团队成功实现了诱骗态方案,并实现了超过100km的量子保密通信实验。2007年,由奥地利、英国、德国等多国科学家合作,在量子通信中圆满实现了通信距离达144km的最远纪录。2008年,意大利和奥地利科学家研究团队首次识别出从地球上空1500km处的人造卫星上反弹回地球的单批光子,实现了太空绝密传输量子信息的重大突破,为将量子通信用于全球通信做好了准备。

  日本政府提出了以新一代量子通信技术为对象的长期研究战略,并计划在2020-2030年间建成绝对安全保密的高速量子通信网,从而实现通信技术应用上质的飞跃。日本国家信息通信技术研究院(NICT)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。

  国内研发动态

  我国涉足量子通信研究的时间与西方国家相当。目前,我国在量子密钥分发的实用化方面已跻身世界前列。最近几年,伴随诱骗态方案的提出,新技术突破不断涌现,自主研发的量子路由器、量子程控交换机及终端设备已能满足实用化要求。2014年,中国科学技术大学研究团队将远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200km,并将成码率提高了3个数量级,创下新的世界记录。目前,国内已有多家致力于量子通信技术研发的公司相继成立,如山东量子科学技术研究院有限公司、安徽问天量子科技股份有限公司、安徽量子通信技术有限公司等。

  相比于量子密钥分发,量子隐形传态的实用化进程还有较长的路要走。2011年,中国科学院联合研究团队在青海湖首次成功实现了百千米量级的自由空间量子隐形传态和双向纠缠分发,为基于卫星的广域量子通信奠定了基础。2015年2月,中国科学技术大学科研人员在量子领域研究获得重要进展,在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来,科学家们在量子信息实验研究领域取得的又一重大突破,为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。

  另外,2014年12月,世界首颗“量子科学实验卫星”完成了关键部件的研制与交付,中国有望先于欧美在2016年前后发射,卫星在轨设计寿命为2年。“量子科学实验卫星”是中国科学院战略性先导科技专项,启动于2011年,主要目的是开展卫星与地面之间绝对安全的高速量子密钥分发实验,通过高精度的捕获和跟瞄系统,建立超远距离的量子信道,并在此基础上进行广域量子通信网络的演示,这将是国际上首次星地间量子通信实验。同时,工程还将建设4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站,以此形成天地一体化的量子通信实验系统,这将为确保我国网络通信安全、国家安全做出重大现实贡献。

  总体来说,世界主要国家在量子通信领域的研究已进入大规模应用前夕,并加快朝着实用化前景发展。世界各国政府、国防部门、科技界和信息产业界对此均给予高度重视,围绕量子通信技术的国家能力竞争也就显得日趋激烈。全球信息产业界的国际巨头们,如国际商业机器公司(IBM)、飞利浦公司(Philips)、美国电报电话公司(AT&T)、贝尔实验室(Bell)、惠普公司(HP)、西门子公司、日本电气股份有限公司(NEC)、日立公司、三菱公司、日本电信电话株式会社(NTT)等也对量子通信技术投放了高额研发资本,抓紧开展量子通信技术的研发,并奋力推进产业化。

  结语

  中国在量子通信的基础研究和产业化推进上与国外诸强基本保持同一水平,甚至在某些领域已经领先欧美发达国家。民用方面,我国斥巨资在部分城市建立了量子通信网,并在2015年初实现了银行业电子档案信息在同城间的加密传输;军用方面,进入工程普及还需要3~5年时间。回顾我国科研工作者在量子通信领域内的多年付出,可以看到中国正在该领域悄然崛起。面对即将到来的颠覆性技术革命,中国不能只做一个“追随者”,应当抓住机遇,抢占先机,真正实现跨越式的发展,做量子科技进步的领军者。

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