量子通信：领跑世界
中国在量子通信领域研发起步早，技术积淀较深，目前已走在世界前列
近年来，网络信息安全问题日益加剧了人们的忧虑和关注，传统保密通信技术自身的安全性正面临挑战。量子通信作为能够提供无条件安全性保证的高效信息安全解决方案受到世界各国政府、学术界和产业界的广泛关注。中国在量子通信领域研发起步早，技术积淀较深，目前已走在世界前列。
5月9日，中国科学院院士、中科大常务副校长潘建伟出席“新未来人工智能论坛”时表示，量子通信卫星将按照原定计划在7月份发射。如果此次卫星成功发射，中国将在全球首次实现卫星和地面之间的量子通信，结合地面已有的光纤量子通信网络，将初步构建广域量子通信体系。
美国媒体认为，中国的量子科学实验卫星(QUESS) 并不仅仅是一个科学实验项目，实际上中国已经成为了全球量子通信技术的领先者，量子科学实验卫星将成为把尖端科技转化为中国在全球范围内战略资产的基石。
据潘建伟介绍，2000公里量子保密通信“京沪干线”也将在今年年底建成。3月17日，我国“十三五”规划纲要正式发布，“量子通信与量子计算机”被列入国家科技创新2030重大科技项目，未来5年，我国将着力构建量子通信网络。
量子通信是什么
作为与相对论并列的现代物理学基石，量子论是20世纪最伟大的理论之一，但其神奇之处也让很多人“难以理解”。“量子世界像骰子一样难以预测，迄今还没有谁敢说了解它，任何科学探险都不如量子之旅惊险和神奇。”中科院自然科学史研究所研究员董光璧说。
量子有很多奇妙的特性，比如在量子通信中起着重要作用的“量子纠缠”，曾被爱因斯坦等科学家称作“幽灵般的超距离作用”。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克曾用《格林童话》中《两兄弟》故事打比方：“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎，长得分不清彼此；他们也心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥即刻得知。
目前，量子密钥分发和量子隐形传态都被称为量子通信。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方式的安全经典通信。
具体做法是用弱相干光源发射光子，因为弱相干光源弱到一定程度，光子是一个一个往外蹦的，以此代替单光子源。把一个信息编码在一个光子上，一个光子有着不同的量子态，代表着0和1，把光子通过光纤发射过去，接收方接到密钥后进行解码。
本质上说，量子密钥分发其实依旧依托于光纤通信，而单光子具有不可分割性是量子密码安全性的物理基础，因而量子密钥分配并非颠覆经典通信，更像是给经典通信增加了一把量子密码锁。
现有的量子密钥分发技术可以实现实验室状态下200公里以上的量子通信，再辅以光开关等技术，还可以实现量子密钥分发网络。目前，开始产业化的是量子密钥分配，而不是量子隐形传态，比如北京到上海的量子通信干线、沪杭量子通信干线、陆家嘴量子通信金融网等都属于量子密钥分配。
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（量子纠缠是指两个量子态具有相干性或处于关联状态，量子纠缠态分发是指制备纠缠粒子对，将不同的粒子对发往不同的地方），在经典通信的辅助下实现量子态的空间转移而又不移动量子态的物理载体。
预计2020年国内量子通信市场规模将达210亿元。其中，专网市场105亿元，公网75亿元，其他领域30亿元据潘建伟介绍，量子隐形传态技术具备不可分割、不可克隆的特性，可以抵御窃听密钥的分发，确保通过其加密的内容不可破译。2015年，中科大潘建伟团队在世界上首次实现多个自由度的量子隐形传态，成果被评为国际物理学十大突破之首。“如果我们带着一个保险箱去北京开会，而保险箱的钥匙落在合肥，合肥的同事可以通过量子隐形传态将钥匙每一个特征都精确传送到北京，而在此过程中他并不掌握这把钥匙的任何信息。这在经典世界中是不可想象的。”潘建伟说。由于在该领域的杰出贡献，2016年1月，潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”获国家自然科学奖一等奖。
早在1997年，潘建伟团队就在世界上首次实现量子态的传输，也正是他们的探索，促使量子科技更快地应用于通信领域。在新中国成立60周年阅兵、纪念抗战胜利70周年阅兵等关键节点，潘建伟团队构建的量子通信热线均为信息传送提供了重要安全保障。
目前，国内主攻量子通信技术的有潘建伟院士带领的团队和郭光灿院士带领的团队，两个团队在研究量子通信方面呈现你追我赶的架势。中国虽然在量子隐形传态技术上走在世界的前列，但现在仅仅是技术突破，离产业化还比较遥远。而量子密钥分发经过近30年的发展，从理论协议到器件系统初步成熟，目前已有小规模的试点应用和初步产业化趋势。以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段，是量子通信领域理论和应用研究的热点。
应用前景有多广
作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，未来10年内，量子保密通信有望走向大规模应用，在电子政务、电子商务、电子医疗、国防军事、生物特征传输和智能传输系统等各领域大显身手。
专家预言，随着光量子通信技术的不断发展和完善，该技术将被大量应用于武器装备系统之中，使得战场侦察探测、指挥控制、通信网络、武器控制能力得到全面提升。目前，光量子通信研究已成为各军事大国重点发展的战略性高科技，在军事上有着灿烂前景。
除了国防军事领域，商业应用也用不了多久。潘建伟说，在不久的将来，量子通信就能进入千家万户。希望通过十年左右的努力，将来每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为，都能够享受到量子通信的安全保障。
当然，这还需要其在产业化和广域量子通信网络方面实现进一步突破。郭光灿认为，量子通信极强的保密性是基于量子密钥技术而实现的，密钥也是基于量子的特殊性而研发的，而其他通信方面的技术与传统经典通信差异不大。从目前的实际应用来看，将量子通信网络与现有电子通信网络进行融合是最优的发展战略。
而在构建广域乃至全球范围的量子通信网络体系方面，从各国战略计划看，无论是美国政、企、校联合展开研制的量子互联网，还是欧盟联合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，亦或是日本计划到2040年建成极限容量、无条件安全的量子通信网络，各国誓要抢占量子通信未来制高点的意图已经明朗。
按照计划，2016 年，我国将先于欧美发射全球首颗量子科学实验卫星，2020 年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，2030 年建成全球化量子通信网络。
据量子卫星工程常务副总工程师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所王建宇研究员介绍，量子卫星将装载我国自主研发的星地量子通信设备。它能产生并发送光子，地面系统则负责接收。这种“发球、接球”需要解决超高精度的瞄准、捕获和跟踪难题，仿佛在空间尺度下、在穿越大气层后“针尖对麦芒”。
城域、广域，再到天地一体，是中国科学家的规划目标。业内人士介绍，量子科学实验卫星上天后，可以实现高速星地量子通信，连接地面的城域量子通信网络，初步构建我国广域量子通信体系；“京沪干线”是连接北京、上海的高可信、
可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，中间还有合肥、济南等重要节点。其中，2012年建成的合肥城域量子通信网，4 年来运行良好，通信正确率达 99.6%，超过目前的移动通信水平。
量子通信应用前景广阔。2月24日，科技部部长万钢在国新办新闻发布会上表示，我国新的科技计划体系将对面向未来的量子通信等方面基础研究进行重点支持。市场人士认为，中国在量子通信技术研究、产业应用方面处于国际领先地位，未来一旦实现更多技术突破，其市场空间将非常广阔。
中国科学技术大学科技传播与科技政策系副教授褚建勋表示，中国政府正在加快打通科技与经济结合的通道，让科技成果为社会服务，跟市场接轨，解放科技生产力，帮助解决社会问题。“在包括量子通信在内的先进科技成果转移转化的过程中，中国新的经济增长点将越来越清晰地呈现出来。”褚建勋说。
产业化应用起步
量子密钥分发保密通信的高安全性所蕴含的战略意义和经济价值备受各国政府、学术界与产业界的重视，近年来试点应用和产业化呈现快速发展趋势。
2003年，美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发实验系统和量子保密通信组网应用。此后，欧美日多国相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等量子保密通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、选举投票保密等方面的应用。2013年，美国独立研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用分段量子密钥分发，结合安全授信节点进行密码中继的方式为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全保障服务。
国内的量子保密通信试点应用起步稍晚但发展迅速。2007年中科大在北京打通了国内首个光纤量子电话，之后相继在北京、济南、安徽芜湖与合肥等地建立了多个城域量子保密通信示范网、金融信息量子保密通信技术验证专线以及关键部门间的量子通信热线。2014年，量子保密通信京沪干线项目通过评审并开始建设，计划建成北京和上海之间，基于安全授信节点密码中继，距离超2000公里的国际首个长距离光纤量子保密通信骨干线路。
量子通信的试点应用催生了一批由科研机构孵化的科技产业实体。其中具有代表性的包括美国MagiQ公司和瑞士IDQ公司等，能够提供初步商用化的量子密钥分发系统器件、终端设备和整体应用解决方案。在国内，中科大在量子通信产业化方面表现突出，其衍生与合作建立了安徽量子通信技术有限公司、安徽问天量子科技股份有限公司和山东量子科学技术研究院有限公司，进行量子保密通信前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化，国家对于量子通信的专项投入和政策扶持为其快速发展注入了强劲动力。
由于安全高效的特性，量子通信在国防、保密、金融等领域有着巨大需求。兴业证券分析师指出，以国防领域为例，量子通信可以应用于通信密钥生成与分发系统，构成作战区域内机动的安全通信网络，能用于改进光网信息传输保密性，由此提高信息保护和信息对抗能力，也能应用于深海安全通信领域，为远洋深海安全通信开辟新途径。
2015年10月，浙江神州量子网络科技有限公司宣布投入1.7亿元，建设“杭沪量子商用干线”。这是国内首条量子通信商用干线，建成后可实现沪杭区域内政府、企业、金融机构等通信数据的加密传输。
在金融领域，工商银行已成功应用量子通信技术实现其北京分行电子档案信息在同城间的加密传输。这也是量子通信技术在国内银行业的首次成功应用。工商银行相关负责人表示，为进一步提升信息安全水平，工行联合中国科学技术大学实施了“量子保密通信京沪干线技术验证及应用示范项目”，同时开展北京、上海同城及京沪异地千公里级量子通信金融应用落地工作。
阿里巴巴旗下阿里云与中科院旗下国盾量子于2015年10月联合发布了量子加密通信产品。这也是量子安全通信产品首次落地公共云领域。中信证券分析师陈剑指出，这标志着“云+量”作为基础设置与服务开始面向更广泛领域进行应用。
作为通信技术的未来演进方向，量子通信业终将进入广域网、城域网等公网市场。据陈剑测算，预计2020年国内量子通信市场规模将达210亿元。其中，专网市场105亿元，公网75亿元，其他领域30亿元；预计2020年国内量子通信设备领域市场规模为30亿元，建设运维领域规模为30亿元，运营市场规模将达150亿元。
诱人的市场前景吸引了众多参与者，量子通信产业链生态正在逐渐形成。以三力士为例，公司拟出资6000万元，设立山西三力士量子通信网络有限公司，推动量子保密通信网、云计算等战略新兴产业的落地和产业化。
2015年7月，中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室宣布成立。该实验室结合阿里巴巴在计算算法、架构和云计算方面的技术优势，以及中科院在量子计算和模拟、量子人工智能等方面的优势，探索下一代超快计算技术。
此外，中科院牵头，联合中科大、科大国盾量子技术股份有限公司、阿里巴巴(中国)有限公司、中国铁路网络有限公司、中兴通讯股份有限公司、北方信息技术研究所等单位发起成立了中国量子通信产业联盟。
陈剑指出，量子通信产业链主要包括元器件、设备、建设运维、运营应用四个环节。其中，元器件方面大部分与传统通信所使用的没有太大的差异。但核心器件，如单光子探测器仍主要依赖进口，近距离设备国产可大致代替进口，而长距离设备需要一年或更长时间实现进口替代。
中游核心设备包括量子网关和量子交换机，国内的科大国盾掌握了部分核心技术；问天量子等机构也在参与其中，研发量子通信核心设备，推动产业发展。
随着更多城际干线启动，将引入更多商业化运作，带动量子通信网络建设和运营需求。这需要在现有光通信网络中添加相关设备，开辟单独的通道以确保信号稳定性等。这些工作通常由网络建设和系统集成商承担。
陈剑认为，随着以量子加密为代表的量子通信技术日趋成熟，行业将进入高速发展期，从发展进程、技术门槛以及未来潜力等角度看，当前网络运营应用与核心设备最具投资价值。