【科技前沿】我国预计2030年建成量子通信网，每户配一个“密钥机”

8月16日凌晨，我国在酒泉卫星发射中心成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。

中国在量子科学领域的这一“领跑动作”引发了全世界的关注。因为这不仅标志我国空间科学研究又迈出重要一步，更有媒体预测，伴随着量子信息技术逐渐走向实用化，其衍生出的量子通信技术，被誉为是继微电子信息之后，最有可能引发军事、经济、社会领域又一次重大革命的关键技术，将催生量子通信的千亿市场，引发世界新一轮的通信技术研发竞争。

2030年建成量子通信网络每户配一个密钥机

据中科院院士、清华大学原子分子纳米科学研究中心主任李家明介绍，量子通信的好处在于保密性强、安全性高。“在量子通信网络下，如果有人设法窃取你的私人通讯，你会立刻察觉到，这样就可以启动相应的措施保护个人的隐私和安全。而在现有的通信技术手段下，这是无法做到的。”正因于此，量子通信的实用化和产业化已经成为包括欧盟、美国、日本和中国在内的各个大国争相追逐的目标。

据了解，随着首颗量子卫星实验成功，我国还将会陆续发射后续卫星，并结合未来的空间站项目，开展相关研究，验证星间、全天时量子通信的可行性。“按照规划，到2020年，中国将实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发；到2030年左右，中国将建成全球化的广域量子通信网络。”潘建伟表示。

量子通信网络究竟会给人类生活带来哪些改变？中国科学院的一本有关量子卫星的科普手册中写道：如果一个覆盖全国甚至是全球化的量子通信网络构建完成，并且随着应用深入，成本逐渐降低，普通民众就能广泛享受量子通信带来的巨大便利。比如，随着技术进一步发展和应用普及，可以通过入户光纤给每家每户配一个量子密钥机，人们拥有“量子密钥”手机的梦想就可变为现实。一旦有人试图窃取量子密钥，使用者就会知晓，结合经典加密方式就能保证通信的绝对安全。

中国领跑量子太空竞赛有赖于“大科学”建设

在全球的量子通信竞赛中，中国虽然并不是起步最早的，但是在量子卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟等人不懈努力下，目前中国在量子通信领域已经实现“弯道超车”，并成为首个将自主研发的量子科学实验卫星送入太空的国家。

事实上，早在数年前，星地量子通信的中国梦想就已经引发了世界的关注。2012年8月9日，国际权威学术期刊《自然》杂志以封面标题形式发表了中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟团队的研究成果：他们在国际上首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。

这一成果不仅刷新世界纪录，有望成为远距离量子通信的“里程碑”，而且为发射全球首颗“量子科学实验卫星”奠定了技术基础。该成果入选《自然》杂志公布的“2012年度全球十大新闻亮点”。

中科院院士、中国科学院物理研究所研究员于渌在接受采访时表示，量子科学实验卫星发射成功结合下半年建成的“京沪干线”，我国将初步构建一个广域量子通信体系，这会解决很多实际的问题，并且为全球性的量子通信网络的构建打下基础，这将是一个新的突破。

于渌提到的“京沪干线”是由潘建伟团队牵头承担的世界上第一条远距离量子通信保密干线，将于今年下半年开通。“一个天地一体的全球化量子通信基础设施构建成功后，能为未来的互联网提供基于量子通信技术的安全保障，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。”潘建伟解释说。

潘建伟认为，能够领跑国际量子太空竞赛，有赖于中国“大科学”项目建设的高效性。“实现卫星量子通信一直是国际上科技强国竞相追逐的目标。比如，量子信息实验研究的先驱者、著名物理学家AntonZeilinger研究组以及欧洲众多的优秀研究团队一直在与欧洲空间局商讨建立以国际空间站为平台的星地量子通信计划。然而，欧空局缓慢的决策机制使得这一计划一再拖延。”而在我国，一方面，国家的高强度支持使得包括我们团队在内的优秀科研团队快速推进量子信息研究的发展；另一方面，在卫星量子通信方向上出现重大突破迹象时，中科院快速作出前瞻性决策，得以在国际上率先启动“量子科学实验卫星”。

“在国家的高强度支持下，我国形成了很强的理论和实验技术储备，培育了一批优秀的研究团队，在量子通信、量子计算等研究方向上产生了一批具有重要国际影响的研究成果。”在潘建伟看来，中国给予“量子研究”的大力支持是其他国家无法比拟的：2000年以来中国经济高速增长，国家对科研经费的投入不断加强，成为科研创新的黄金时期。我国政府也高度重视量子信息领域的发展，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》就将“量子调控研究”列入科技部四项“重大科学研究计划”之一，中科院、科技部、基金委等科研主管部门对量子信息领域持续进行着前瞻性、战略性布局。

潘建伟：盼有生之年目睹量子互联网的诞生

据了解，此次成功发射的量子科学实验卫星是我国自主研发的星地量子通信设备，突破了一系列高精尖技术，包括“针尖对麦芒”的星地光路对准，偏振态保持与星地基矢校正，量子光源载荷等关键技术。

潘建伟指出，它的成功研制，不仅是中国量子保密通信领域“杀手锏”技术研发的重大突破，实现了从跟随创新到引领创新、从集成创新到原始创新的跨越，同时也是世界量子通信技术的重要创新，它有望使人类科技发展史上“最安全的通信手段”具备覆盖全球的能力。

“量子是人类对自然界的能量最小单位，量子信息研究集多学科于一体，要想取得突破，必须拥有不同学科背景的人才。”回忆起刚回国建立实验室的时候，潘建伟表示，当时无论是研究水平还是人才储备方面，国内的基础都很薄弱。

“因此我们在各国间奔波，与国际先进小组保持密切的合作，不断地取长补短，这是让团队得以快速发展壮大的‘秘方’。潘建伟说，多年来，团队还一直有针对性地选送学生出国留学，把他们送到量子信息研究的优秀国际小组加以锻炼。“近年来，这些年轻人悉数回国，使得我们的量子研究团队得到空前壮大，形成了一支特色鲜明、优势互补的年轻研究队伍。”

谈到卫星研制过程中遇到的困难，潘建伟说，各个载荷系统都遇到了很多难题，难以说哪个最大。一个具有代表性的难题是市面上现有的单光子探测器都无法满足空间的高辐射环境要求。因为宇宙射线会对探测器的半导体晶格造成损伤，增加晶格缺陷，随着晶格中缺陷的增多，器件性能出现急剧衰减。

“我们团队先从基本物理特性入手，在载荷资源和器件本身特性最大允许范围内，提出了通过降低单光子探测器工作温度、增加探测器屏蔽厚度等技术可以解决该问题。随后实验上经过艰苦攻关，通过欧洲质子加速器辐照测试，发现降低单光子探测器工作温度和增加探测器屏蔽厚度的技术可以有效增加单光子探测器在轨工作寿命。”

“对于我们团队来说，卫星的发射并不代表我们的努力就到此为止。”潘建伟表示，随着中国科技的迅猛发展，他相信量子通信将在不到10年的时间里辐射千家万户。

“期盼在我有生之年，能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。我相信中国科学家们做得到。”