中国将在地面上形成如铁路网络那样多横多纵的量子通信网络;而在天上,则会布局一个多颗卫星组成的量子星座卫星网络,使之与地面信号相连,最终实现天地一体的全球化量子通信基础设施。同时,还将发展完整的量子通信产业链,为下一代基于量子物理保障的信息安全生态系统提供支撑。

2017年9月29日,在北京海淀区西北旺地区一处写字楼里面,奥利地首都维也纳和北京这两个相隔半个地球的城市之间举行了一场不寻常的视频连线。这次通话的信号路线,先通过“京沪干线”北京控制中心与“墨子号”卫星兴隆地面站的连接,然后通过“墨子号”卫星与奥地利地面站接通。

2003年,彭堃墀和郭光灿一同当选为中国科学院院士。

本刊记者/彭丹妮

在从事量子科研的过程中,郭光灿一度被人质疑是在搞伪科学,申请科研项目,也屡有碰壁。经过多年的活动和努力,2001年,他申请的第一个量子通信和量子信息技术的国家“973”项目终获通过。3

物理学家给人们的刻板印象,就像《生活大爆炸》里谢尔顿那样——不善言辞,甚至有轻度社交障碍。然而,潘建伟善于沟通。无论面对记者还是成百上千的普通听众,他都能侃侃而谈,不时用通俗易懂的例子解释晦涩的量子物理。

“在美国就买了各种设备,大到光学平台,小到万用表,都赶快买,跨过太平洋运回国。”吴令安对彭堃墀当时在美国大手笔采购科研设备记忆犹新。

“如果从有效性、可靠性与可信性三个维度来衡量通信系统的话,有人把量子保密通信,或者更准确地说,量子密钥分发技术,认为是量子通信也有一定的道理,但是它并非一种直接的关系。量子保密通信只是量子通信中的一个核心技术、一个支撑,或者说一部分。”曾贵华强调说。

就这样,她成为国内最早开始量子密码通信实验研究的科学家。从时间上看,她的工作要比后来的潘建伟院士早十年多,当时后者还在中科大读书。

“更远的传输距离,比如说1000公里或者2000公里,肯定要用量子中继。这方面虽然基础研究做了很多,也发表了很多高水平文章,但是设备做不出来。”曾贵华说。“京沪干线”目前采用的是可信中继在途中来增强信号。所谓可信中继,简单地说就是按传统的方式储存数据。郭光灿对此指出,可信中继依赖人的因素,所以并不安全。不过,潘建伟认为,采用可信中继只需保证中继点安全性即可,这已是巨大的进步。

二、没有条件,创造条件也要干

此次视频依然使用传统通信,特殊之处在于采用量子密钥对信息进行加密,使其成为世界上首个跨洲际的量子保密视频通信。在中国领先的前沿科技中,量子通信是浓墨重彩的一笔,而潘建伟和他领导的团队,则是促成这一优势的核心因素。

今年6月,国科量子作为承办方之一,在上海召开了“ITU首届量子信息技术标准国际研讨会”,来自十多个国家的200多位与会代表就量子计算、量子通信、量子测量、量子信息技术标准化等专题进行了讨论和碰撞。

在潘建伟团队实施这些项目之前,国际上已经开展了多个量子密钥分发传输的实验。1993年,英国国防部在10公里的光纤中实现了相位编码量子密钥分发;1999年,美国洛斯·
阿拉莫斯国家实验室实现了500米的量子密码自由空间传输;2002年,瑞士实现了67公里的量子密钥分发实验;2004年,世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行,网络传输距离约为10公里。

(1984年首届全国量子光学讨论会全体留影/照片由张智明提供)

潘建伟介绍“超导量子计算机路线图”。图/新华

与此同时,研究人员认为,量子技术还可以用到能源勘探、国防等诸多战略性的方面,效力无穷。

量子密钥一直以其安全性名声在外。潘建伟曾解释,量子保密通信技术通过量子密钥分发在两地间共享量子密钥,所共享的量子密钥用于加解密所要传输的信息,可实现两地间信息的高安全保密传输,远超现有通信技术所能提供的安全性。学界将这种安全性称之为
“无条件安全”或者“绝对安全”,它指的是有严格数学证明的信息安全性。

“量子科技目前还是一个非常非常基础的阶段,”莫莫院士提到,美国有两院院士去年做了一个调研,结论是,除非出现颠覆性技术,未来可预见的20年之内,量子计算的实现是一个小概率事件。莫莫院士认同这个结论。据他看,现代社会通用的经典计算机就发展了几十年,据此可知,量子计算不可能一蹴而就。

潘的团队从2003年开始做量子卫星的实验:系列地面实验证明,通过卫星进行保密通信是可行的。在潘建伟的领导下,2016年8月,量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射升空,是全球首颗量子卫星;2017年9月,长度超过2000千米、由32个中继站组成的世界上第一条长距离量子安全通信线路“京沪干线”投入使用。

那时候,量子科学在西方发展已超过60年,已经有了诺贝尔奖得主,而“相干和量子光学会议”在美国也已经举办了四届,吴令安等人参加的是第五届1。对他们这些中国年轻科研工作者来讲,量子光学还是很新鲜的一门学科。

如今,彼得·
佐勒感受到的另一种截然相反的态度:人人都在谈论量子。越来越多的公司和资本进入这个领域,做出各种各样的承诺,“但是到了某个节点,人们会问,你们许诺的东西真正实现了多少?”

同样回到国内的彭堃墀,则在山西大学开办了光电研究所,是国内第一个开展量子压缩态实验的科学家,后来的研究成果不仅受到同行称赞,在国际上也具有显示度。山西省方面很支持他的研究,在他回国前就给了数额不菲的经费,还是美金。

“量子”竞争

在此之前,国内本土的一批科研工作者已经陆续在量子科学领域开展自己的研究工作。据《后厂村7号》记者采访了解,如北京大学王义遒、兰州大学汪志诚、中科院上海光电所王育竹、中科院上海光电所谭维翰等,都是这一领域早期的代表人物。

在该领域,中国也扮演重要角色。2019年8月,中科大郭光灿团队与南京大学合作,优化了量子弱测量的测量方法,把单光子克尔效应测量精度再次提升接近一个量级,实验结果首次逼近了最优海森堡极限——量子力学理论范畴内所能达到的最高精度;9月,中科大杜教授杜江峰团队运用量子技术,首次在室温水溶液环境中探测到单个DNA分子的磁共振谱。不过,潘建伟认为,量子精密测量,也是中国跟国际上差距最大的地方。

“很不易呀”,金西应询告诉《后厂村7号》记者,这一次打破了一些国家的“联合围堵”,实现了国际上第一个针对量子信息技术的专业标准组的成立,为团结全球的量子信息技术专家力量,合作开展标准预研提供了平台。

“在陆地与卫星通信线路的长度来看,潘建伟带领的中国量子加密网路无疑是世界领先的,可能要比美国领先10年;但是在量子计算机的发展上,中美的情况则恰恰相反。”美国路易斯安那州立大学理论物理学教授乔纳森·道林说。

业界主体意识到,只有建立标准,未来量子通信产业发展才有足够生命力;而能不能主导标准制定,则是占据未来量子通信产业制高点的重中之重。

量子计算的物理实现方案不止一种,对于目前该领域的竞争态势,彼得·
佐勒认为,人们用不同的方法在这个游戏中竞争,就好像选择不同的攀登路线,但现在攀登者们的位置,却都还在山脚。

“特别是那些拿大钱的大项目,到了这个层次了,还停留在只是发表文章,比论文的档次上面不太合适。”张智明说,“当然高水平论文也算成果,但拿那么多钱,你就不要光限于论文成果了,在实际应用方面,要有一些实实在在的东西了。”

彼得·佐勒说,今天,实验室中已经有了20或50量子比特数的小型量子计算机,但如果要这些设备真正可实用,需要的是突破量子容错纠错难题。“在接下来的五年到十年,我们可能会看到几百量子比特数的量子计算机冒出来,有些有部分纠错能力,有些没有。但最终大规模、高速度的量子计算机,我猜可能需要上万、甚至上百万量子比特,以及强大的容错能力。”

包括科学家在内,人们对量子科学有极大的潜力期望,一种较有代表性的说法是,当下人类正处在第二次量子革命之中。

很多人也注意到了他的这种特质。《华盛顿邮报》就这样描述他的演讲风格:在2019年7月于上海举办的一场学术论坛上,潘建伟用科学痴人爱因斯坦与“星际迷航”的笑话来辅助幻灯片演示;在谈到“薛定谔的猫”这个量子物理中的经典思想实验时,潘则运用站立又平躺的卡通猫图片来解释量子叠加的概念。

而在量子光学方面的研究力量分布:一支在中国科大,以郭光灿院士、潘建伟院士两大团队为主要代表;一支在山西大学,以彭堃墀院士的光电研究所为代表。其他的则有浙江大学朱诗尧院士团队;上海交通大学张卫平教授团队;清华大学以龙桂鲁教授、王向斌教授等人为代表的相关研究团队;中国科学院上海光机所王育竹院士为代表的团队等。

潘的专长主要是光子以及量子储存器,但是他会想到,如果要在国际竞争中有一席之地,还需要哪些拼图,并有眼光选择未来能够带领各个板块的年轻人。”彼得·
佐勒说。如今,“潘建伟的研究团队几乎覆盖了量子信息科学的所有领域,包括冷原子、精密测量、超导量子计算和量子传感器等等。”彼得·
佐勒说,“这就像打好了一个宽的地基,以后才能在上面盖高塔,而不是手里只拿着一块砖。”

这背后,有一个科学家的名字无可忽略,他就中国科学院院士、着名物理学家潘建伟——他是两个项目的首席科学家。

彼得·
佐勒认为,如果他的学生、清华量子信息中心执行主任段路明是那种深耕某一个方向、不太擅长表达也不愿意被其他事物分心的科学家,那么潘建伟则是另一种类型:他不一定亲自去拨弄实验器材,但是他能站在后方运筹帷幄。段路明比潘建伟小三岁,潘建伟从因斯布鲁克大学博士毕业那年,段路明赴该校理论物理研究所从事博士后研究。

主要反对方建议中国方面召开国际性的研讨会,对国际标准制定的需求及必要性进一步加以讨论明确。

曾贵华也认为,卫星的方法有一些弊端,比如说卫星扫描合肥时,可能一两分钟就结束了,通信必须掐准这个时间。此外,光的传输受阳光制约,目前“墨子号”只能在夜晚“上岗”;还有一个更实际的考量是,发射卫星的成本太高,商用难以推广。

张智明向《后厂村7号》粗略地划分了当今国内有代表性和影响力的研究力量,广义的量子科研层面,有清华大学薛其坤院士、中科院物理所向涛院士、中国工程物理研究院孙昌璞院士、中国科大杜江峰院士等一批科学家代表。

彼得·
佐勒说,如果你远眺量子科技里的群山,这里面只有一座珠穆朗玛峰,那便是量子计算机。量子通信,自然是其中一座,但是要容易攀爬得多。

2017年9月29日,中国科学院院长白春礼与奥地利科学院院长安东·塞林格分别在北京和维也纳两地进行了一次颇不寻常的远程视频通话。

这种操作的不完美,具体来说有两类:对光源及探测器的攻击。不过,王向斌等人今年3月份撰文指出,对于这两种可能的安全隐患,学界均已经研究出应对方案,他们声称,“量子保密通信的现实安全性正在逼近理想系统。”

中国之所以能称为在量子通信领域走在前面,据《后厂村7号》记者了解,不仅是在科研领域上取得的突破,也表现在商业设备上面,例如,与国际同行的设备性能相比,同样是100公里距离,中国量子通信的设备传输可以达到2K比特/秒,而别人的设备可能只有1K比特/秒,或者根本无法在100公里的传输距离中正常工作。

2016年,曾有媒体报道称,2019年前后,量子通信就将服务于消费者的网上转款和支付。但如今,量子加密通信的产业化似乎并不顺遂,它尚未走入普通人的生活。潘建伟向《中国新闻周刊》表达了他的预测:“我觉得五年肯定有规模化的应用了,十年可能在一些非常重要的部门有较大规模的应用,十五年至二十年后,可能我们能够用得上。”

这个地点,既是中国首条量子通信干线“京沪干线”北京控制中心,又是天地一体化广域量子通信网络的展示厅。

在IBM、谷歌与微软等大企业的投资下,美国的量子计算机研发在全球领先。据市场研究机构Patinformatics数据,2018年,中国在量子科技领域申请的专利数量为492项,差不多是美国的两倍,居于世界领先;但是从细分领域来看,美国的量子计算机专利数量为193,中国仅为63。

在天地一体量子通信网络的运营上,国科量子的角色类似于中国移动、中国联通一类基础网络运营商,怎么使量子通信网络像传统电信行业那样能实现产业化的规模发展,他们目前正为此进行从无到有的摸索和开拓。

曾贵华介绍说,通信追求有效性、可靠性与可信性。其中,可信性关注传输过程的安全与否,通常采用密码技术实现,涉及加解密算法与安全密钥两个主要部分。尽管也有学者在研究量子加解密算法,但这种思路的进展比较慢,而量子密钥分发技术则在工程上取得了更快进展。不论是“京沪干线”,还是“墨子号”量子卫星,它们的实用价值,主要在于量子密钥分发。清华大学物理系教授王向斌指出,量子密钥分发是最先走向实用的量子信息技术。

莫莫院士对国内量子科技发展环境颇为关切,就他所见,对于量子科学工作,社会上不是冷嘲热讽的责备,就是到处热炒或过于热捧,以及业内主体之间的恶性竞争。他提出,行业主体尤其是科学家们要有责任和担当意识,“真的是要以国家的利益为重”。

在多个公开场合,潘建伟都提到这种国家支持的意义。“我们正处在一个大时代,更好的说法是新时代,这得益于国家经济的发展,让我们能够做一些让国外的同事也羡慕的事情。”在2017年的未来科学大奖颁奖典礼上,潘建伟如是说。

金西透露,大约在一年后,国内将会有相关的量子通信行业标准和国家标准发布,“我们现在有25项标准在编制,多项行业标准和国家标准即将进入送审阶段。”

1996年,在中科大近代物理系完成本科与硕士阶段学习的潘建伟,进入奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位,师从安东·塞林格。彼时,他并不知道塞林格正领衔着一个量子信息研究大型项目——在中国,当时一个科研项目的经费常常只有五万、十万元人民币,而这个项目却是一百多万欧元级别的。

最后还是中科院信息安全实验室,一听她介绍量子密钥分发,就明白其前景了,与她合作申请到一笔中科院院长基金。

量子保密通信是什么

就像华为所面临的情形一样,量子科技的形势也极为典型。在当前的国际竞逐中,据《后厂村7号》记者采访知悉,中国量子科学发展有一定的前瞻性策略准备,面对外部环境的制约瓶颈,诸如研究材料和设备的供给,由于原来在量子通信方面投入就比较大,会提前进行一些攻关,相关的器件已经能够自己生产,虽然性能指标上还有待进一步的优化和强化,但采访对象说,“肯定还是可以做的”。

更多资金正在向量子技术领域涌入,拥有全国政协委员身份的潘建伟在其中扮演重要角色。2017年7月,作为量子信息科学国家实验室的先行探索,中国科学院量子信息与量子科技创新研究院揭牌,潘建伟担任院长,安徽省、合肥市首期联合安排了10亿元专项科研资金进行前期配套,安徽省也成立了远期规模可达100亿元的量子技术发展基金支持科技成果转化。2017年年底,合肥量子信息科学国家实验室全面开工,总投资约70亿元。

2015年,科技部将973计划、863计划等整合而成国家重点研发计划,量子调控与量子信息此后成为计划中的未来科研经费重点投向领域。

“我们有理由对量子科技的未来保持热情,但不要过分炒作。”彼得·
佐勒说,过分炒作意味着过高的期望值,而不切实际的期待往往意味着失望的情绪,最终受伤的是科学家们。“我敢说当人们期待落空,量子领域将会进入寒冬。

几个人中,郭光灿和彭堃墀先行回国,分别回到自己的原单位中国科技大学和山西大学开展量子光学研究工作,吴令安则留美读书,一直到1987年拿到博士学位后,才回国。

2019年10月23日,谷歌宣布其实现了“量子霸权”:谷歌在当天发表的论文中表示,已经开发了一款54量子比特数的量子芯片Sycamore,在执行一个随机数字采样的任务上超越了经典计算机。不过,质疑的声音认为,它执行的计算任务没有已知用途,不足以证明其通用性。所谓量子霸权,是指量子计算设备可以超越经典计算机,解决后者无法完成的计算任务。

“如果没有国家强大的经费支持,就没有办法做那些实验,只能光在纸上谈兵了,”张智明对《后厂村7号》说,在量子科学等基础研究方面,国家经费支持强度很大,普通项目也都能申请到七八十万,而一些受重视的大团队,要人有人要钱有钱,“有些项目的经费多达数千万、上亿元”。

上海交通大学电子工程系教授曾贵华向《中国新闻周刊》介绍,量子技术广义上包括量子物理与量子信息技术两大板块。在量子信息技术中,主流的细分领域主要包括四大部分:量子通信、量子计算机、包括量子成像与量子陀螺在内的量子精密测量,以及该领域通用的一些支撑性材料或器件。

2017年6月,中国通信标准协会专门成立量子通信与信息技术特设任务组,国科量子是其主席单位。中国联通、中国移动、中国电信、科大国盾、华为、中兴、阿里巴巴等产业链上的50余家企业会员也加入了这个任务组,参与标准制定工作。与此并行,全国信息安全标准化技术委员会和密码行业标准化技术委员会也开展了相关工作。

对此,潘建伟解释说,“墨子号”实现的100千比特/秒的量子密码成码率,就是指即使按照最高等级的一次一密,也能达到100kbps的加密通信速率,包括电话、传真、文件传输需求都能满足,视频传送可能比较慢。目前“墨子号”是会受恶劣天气状况的影响,团队目前已有克服的方案,例如利用无人机跨越云层等,在将来会进一步实现。

郭光灿倾向于走产学研发展路子,他曾对人说,自己早有意识,“量子技术走向市场化,光靠学校是不行的,学校就是研究机构,产业化一定要有公司的力量帮助”。2

在世界级实验室,潘建伟一边在一线参与实验,同时也在琢磨将来应该往什么方向发展。那时候,他就已经开始留心所学所做,打算未来将这一新兴技术带回中国。

“当然我们在某一些方面是领先的,但你们也不要宣传得太过分了。”吴令安对《后厂村7号》记者说。

潘建伟在中国科学技术大学一实验室内了解科研情况。图/受访者提供

九、“也不要捧杀,也不要棒杀”

“如果没有国家强大的经费支持,就没有办法做那些实验,只能光在纸上谈兵了。”华南师范大学信息光电子科技学院教授张智明近来接受媒体采访时表示,在量子科学等基础研究方面,国家经费支持强度很大,普通项目也都能申请到七八十万,而一些受重视的大团队,要人有人、要钱有钱,“有些项目的经费多达数千万、上亿元”。

(在罗彻斯特大学合影。前排左一:郭光灿,左三:吴令安,后排左三:彭堃墀/照片由吴令安提供)

比特·佐勒惊讶于这么充裕的资金进入量子科技领域。25年前,当彼得·佐勒等一批量子计算机领域的先锋们提出这个想法时,他们面对的几乎都是质疑声,一位诺贝尔奖得主曾经“泼冷水”说,“量子计算两年后就会被遗忘”。

在这个形势下,有量子科研人员承认,面对其他国家的纷纷发力,如何继续保持相应的领先优势,他们抱有压力。

“在量子科技中,从原理上来说量子保密通信是比较容易实现的,这也解释了为何量子密钥技术最先走向市场,当然,量子中继器是远距离量子保密通信现在难以逾越的瓶颈;但另一条平行线上,研发量子计算机是一个难度大得多的游戏。”彼得·
佐勒说。

而在联合国下属的国际电信联盟,他们于曲折中前行,也取得了相应的进展。

潘建伟通过送学生去国际一流机构深造来培养团队。在美国斯坦福、英国剑桥、牛津等顶尖大学的相关实验室,都有他派出去合作研究的学生。“我跟学生们说,咱们做一个约定:大家把几个技术全学会,然后在适当的时候一起回国,合起来做一点别的团队做不了的事情。”潘建伟说。

2017年9月,全长2000多公里的量子通信京沪干线全线贯通,采用光纤传输量子信号,实现两地量子保密通信,同时它的北京接入点与墨子号卫星连接,突破了地面光纤传输的距离短板,有观点认为,这使得量子通信全球覆盖的实现成为可能。

据大连理工大学一支研究团队今年3月发布的《中国研发经费报告》,2009~2016年,中国政府研发经费支出从1358亿元增长至约3141亿元,平均年增长率为13%;2017年中国全社会研发经费投入已达1.76万亿元,仅次于美国。

国科量子方面提供的信息显示,在京沪干线和墨子号卫星热潮之下,有能力生产量子通信设备的企业也越来越多,全球的量子通信产业链也在快速发展,如美国,已经成立了与国科量子职能类似的Quantum
Xchange公司,开始建设运营横跨美国东海岸的量子保密通信干线Phio
TX,欧盟多国签署联合声明,计划共同开发和部署欧盟范围内的量子通信基础设施。

1984年,只是中国科大物理系一名普通讲师的郭光灿,还在为区区2000多元的办会经费而奔波。他向学校争取到经费后,在安徽省滁州市琅琊山琅琊寺召开了全国第一届量子光学学术会议,邀请到了50多人参会。而郭所从事的量子科研,当时一度因被质疑为伪科学,申请科研项目时屡屡碰壁。

2001年,潘建伟被中国科学院作为国外杰出人才引进回国,回到中国科技大学组建自己的研究团队。15年后,他成了中国量子通信方面的领军科学家之一,旗帜般的人物。

据《纽约时报》2018年底报道,受中国近来量子研究取得的进展所震动,美国正在努力追赶。南加州初创企业Qubitekk正在使用量子加密技术来保护田纳西州的电网;另一家美国公司Quantum
Xchange正在曼哈顿和纽瓦克之间建设量子加密网络,并计划把在这两个城市运营的大型银行连接起来,且希望这个通信网可以延伸至美国整个东海岸

事实上,世界一些主要国家已经在量子通信领域的标准上纷纷发力。中国目前也在推进一系列量子保密通信技术标准化的制定。

2018年,沃尔夫物理学奖颁给了量子通信领域的两位科学家本内特与布拉萨德,他俩既是量子密钥分发方案的提出者,也是量子隐形传态的最早提出者。在潘建伟提供给《中国新闻周刊》的一份资料中写道:“今年在介绍沃尔夫物理学奖获得者的网页上专门提到,量子密钥分发已经成功实现商业化,在光纤中已经能做到几百公里,用卫星可以做到上千公里。需要指出的是,这两个纪录都是我国科学家创造的……这是中国科学家的贡献,也是中国量子通信领先世界的标志。”换句话说,中国人虽然没有做出量子密钥分发的基础理论原始创新,但在应用实践中走在了世界前面。

在量子计算方面,有研究表明,一旦量子计算机研制成功,将会对目前的保密通信构成巨大威胁。目前的保密通信基于所谓的“大数分解”问题。据说,要解决这个“大数分解”问题,需要1000多台经典计算机联合工作、用时8个月或更长时间才能完成,而1台量子计算机仅需几秒钟就能完成。

这样健谈的风格,或许是这位物理学家能够为其艰深的科学研究找到更多支持的一个砝码。“潘建伟是热情的乐观主义者,同时,他有说服投资者的天赋。”《自然》杂志这样评价他。

回国后,彭堃墀在量子信息领域的研究取得了一系列原创性的成果,他所领导的山西大学光学学科和实验室,也相继成为国家重点学科和国家重点实验室。

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1984年,也就是回国第二年,郭光灿向中国科大争取到了2000多块钱的经费,在安徽省滁州市琅琊山琅琊寺组织召开了全国第一届量子光学学术会议,当时50多人与会,其中不乏好奇心驱动前去参会的。

潘建伟指出,在完美的量子中继出现之前,卫星是实现远程量子通信的一个很好的解决方案,能实现几千公里之间的量子密钥分发。在中科院的官方报道中,“京沪干线”可满足上万用户的密钥分发业务需求,而“墨子号”与“京沪干线”天地链路的结合,意味着中国成功实现了洲际量子保密通信

“我们的量子科技已经进入了一个无人区。”据莫莫院士说,中国量子科研所面对的外部环境有显严峻和复杂,多受限制掣肘,这涉及到技术、设备来源及交流合作等多个方面。他自己就遇到过这种情形,有些合作关系明明顺利地进行过商谈,转眼又无疾而终了。

曾贵华补充说,量子密钥技术本身来说是比较成熟的,但在商业应用方面,还要考虑其他一些问题,比如性价比。一个量子密钥比特的成本要比经典通信高,所以下一步需要考虑如何降低量子密码设备的价格,提高性价比。

今年8月,在安徽省滁州市琅琊山琅琊寺故地,中国物理学会量子光学专业委员会举办了光学学术会议35周年纪念会,将郭光灿、吴令安等老海归和本土前辈科学家请去,特别安排献花环节,向他们当年推动量子光学发展致意。

多位从事量子通信领域研究的外国学者都提到,过去,因成本考虑,欧洲和美国都不愿意投资量子卫星。俄罗斯量子中心专门研究量子加密攻防的科学家Vadim
Makarov在接受《中国新闻周刊》采访时就表示,“我们没办法说服一些欧洲国家与美国政府对这个领域给予足够的投资,而中国做到了。”

“任何新技术,从小规模的科学试验、实用化一直到大规模的应用,都需要标准支撑,特别是信息通信技术,通常是标准先行,然后设备商才能研制出彼此互通的设备,才有大规模的产业和服务。”国科量子专家金西说。

潘建伟告诉《中国新闻周刊》,量子通信主要包括量子密钥分发和量子隐形传态。他此前也曾表示,国际上把量子隐形传态、量子纠缠交换和量子密钥分发等几种技术统称为量子通信。量子通信并非狭义化的概念,是指用量子态来传递信息,所传递的信息可以是经典信息,也可以是量子信息。

在国际标准化组织,中国方面牵头发起了“量子密钥分发安全要求与测评方法”国际标准立项提议,虽然遇到少数会员国家的反对,但得到20多个会员国家呈压倒性优势的票决支持,已经正式启动了编制工作。

在谈到什么是量子态隐形传输时,他将一对纠缠粒子比作夫妻,第三个粒子的介入就像是插足的第三者,会和夫妻中的一方结合成新的夫妻。与此同时,“第三者”携带的单身信息就传递到那个不幸变成“单身汉”的那个粒子上。

金西则告诉《后厂村7号》记者,实际上,在短短十余年中,量子通信生成的密钥分发速率已经可以达到10Mbps以上,技术是在往前发展的。

郭光灿说得更为直白:所谓“通信”简单地说就是传递信息。量子密码只是传送经典随机数而已,不包含有任何信息内容,因此,与“通信”无关。现在媒体、学术界所说的“量子通信”是某些人概念不清的误导,其实只是量子密码或者量子保密通信。

吴令安记得,6月大热天的暑夜,在邓质方家中,他们吃着西瓜、冰激淋,彻夜交流,一晚上的话题几乎都与量子光学有关,虽然不少人对此还是半懂不懂,却富有热情。

不过,中科大量子信息重点实验室主任、中科院院士郭光灿在其《量子十问之五:量子密码是量子通信吗?》一文中指出,真正的“量子通信”有其确切的内涵,即将信息编码在量子比特上,在量子通道上将量子比特从甲方传给乙方,直接实现信息的传递。这种真正的“量子通信”目前仍处于基础研究阶段,离实际应用还相当遥远。

1991年,郭光灿出版国内第一部中文专业着作——《量子光学》,这被誉为国内量子光学的启蒙之作。此后,他又在世界上第一个做出量子避错码,第一个提出量子概率克隆原理。1

尽管潘建伟不是中国最早开始量子领域研究的人,但在最近几年,他成了国内这一领域旗帜性的人物,在一些媒体报道中,甚至被冠以“中国量子之父”的称号。这位中国科学技术大学常务副校长、中科院院士与物理学家是眼下中国最当红的科学明星:2017年,潘建伟被《自然》杂志评为年度十大科学人物;2018年,入榜美国《时代》周刊年度最具影响力人物;同年冬天,他与诺贝尔奖得主屠呦呦等人一起,入选中国100位改革开放先锋人物。

八、标准化角力

在2018年10月末的一场量子技术国际研讨会上,法国科学院院士阿兰·阿斯佩表示,中国同行能走到世界前茅,一方面得益于有非常好的想法,一方面得益于他们能够申请到足够的经费去实现这个想法、达到现在这种规模,这也是中国经济高速发展的结果。

张智明教授向《后厂村7号》介绍,上述技术实现起来难度极大。他认为,量子基础研究和理论探索虽然没有问题,但不管是量子计算机还是量子通信,真正实现普及还是比较遥远的事情,因为量子效应非常脆弱且不稳定,极易受环境因素干扰。

2016年12月10日,在西藏阿里观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验。图/新华

在这一波你追我赶的过程中,是对彼此综合实力的检验。比如量子计算,采访对象介绍,这方面的研究涉及很多基础领域的能力,在基础材料厉害的一方,人力物力等条件到位,发展起来就很快。“有一些不是靠单个领域的科研能力,它需要整体的实力才能推动。”

以传统通信中的光纤作为传送介质,超过
500公里后,光量子就会因为吸收变得非常稀少,信号衰减卡住了远距离密钥分发的咽喉。潘建伟曾解释,由于量子的信息携带者光子在光纤信道上传播100公里之后,大约只有1%的信号可到达最后的接收站,所以光纤量子通信达到百公里量级就很难再突破。但光子穿透整个大气层后却可以保留80%左右。

研究要持续下去,必然需要经费支持,吴令安当时觉得,量子保密通信在国防上比较适用,应该受军队欢迎,由于发表了论文,名声在外,她后来真被部队请去做了报告,不过在当时量子通信还显得太超前,她主动找个别单位接洽,人家根本就不感兴趣,要么就是听不懂。

“2017年‘京沪干线’开通之后,中间有一段时间其他国家是空档期,处于一个震惊、或者说思考阶段。那么从去年开始就不一样了。”潘建伟告诉《中国新闻周刊》,从2018年开始,如梦初醒的美国开始建类似“京沪干线”的网络;在欧洲,同样的计划也纳入了德国、意大利、英国等国家的待建清单。2019年6月下旬,7个欧盟国家签署宣言,宣布要在接下来的12个月里共同探索如何在未来十年里贯通整个欧盟地区的量子加密通信基础设施,包括路面与卫星两个系统。

有些发达国家声言,要把量子科学上的第一位次抢过去。

2016年12月,英国政府科学办公室发布的《量子时代:技术机会》报告认为,人类正处在第二次量子革命的前夜,并将原子钟、量子成像、量子传感器和测量、量子计算和模拟以及量子通信作为五大重点研发领域。

属于中国的量子科学的黄金年代,就是这样,一脚深一脚浅地在包括他们在内许多研究人员的摸爬滚打中拉开。

明星科学家之路

几年前,在彭堃墀的实验室里,张智明问彭,如今的实验室条件,和当年美国那边相比,水准怎么样?彭很自豪地告诉他,现在的实验室条件,比美国那边好多了。

然而,郭光灿在接受《中国新闻周刊》采访中指出,这些成果的宣传效果大于实际意义。他指出,量子卫星是一个演示性装置,不可能实现实际应用。一方面,一次一密要求一秒钟所发密钥数量与要传递信息的比特数目相同,而从卫星扫向地面一次只有5分钟,这个时间长度无法做到一次一密所要求的高密度成码率;另一方面,遇到雾霾、雨天等天气状况时,光子在大气中衰减,星地便无法连通,此时使用预先储存的密码,也做不到一次一密。所谓一次一密,即密码长度与明文长度一样长,且用过后不再重复使用,这能保证密文绝对无法破译。

“ITU有九百多个国家成员和部门成员,这个事需要各个国家达成共识才行,难度非常大。”金西说,“如果现场达不成共识,工作就没法往前走”。

“量子保密通信现在基本上已经与科学没有什么关系了。现在主要的问题是,如何将它转换为一个成熟的商业模式推向市场。比如说,如何合理地定价、是给客户销售加密服务还是密钥这类商业问题。”Vadim
Makarov说。

“现在正在建设的是国家量子保密通信骨干网一期工程,在京沪干线之后又有一个新的项目,就是要做一个北京到上海的环网,再把它延续到广州去,这几条线路正在建。其他的线路还在规划之中。”金西介绍,中国量子通信产业发展当下可以这样来概述,“天上的相当于是独一家,地上的产品它是最成熟的。”

潘建伟在因斯布鲁克大学就读期间,量子计算机最早的开拓者之一彼得·
佐勒是该校的教授。他告诉《中国新闻周刊》,潘参与了量子通信早期的实验,并奠定了他在领域中的地位。但将潘建伟与其他学生区分开来的,则是一种能够看清下一步并着手计划的“远见”。

冬、春两季,北京沙尘暴频繁,即使把窗户都封闭,光学实验设备也会被污染。

中国对量子物理的研究,最早可追溯至1970年代,那时候的研究还比较零散,不成气候。1980年代,中科大的郭光灿与山西大学的彭堃墀等一批先行者们,开始系统性地涉足量子物理。二人后来同在2003年当选为中科院院士。先于潘建伟十多年之前,1995年,中科院物理所研究员吴令安实现了国内第一个自由空间量子密钥分发演示实验。2001年,在郭光灿的多方努力下,他终于申请到了第一个国家科技部“973”项目“量子通信与量子信息技术”。就在这一年,从德国回到中国科大的潘建伟,也在郭的项目中担任相关课题的负责人,并开始着手建立自己的实验室。

吴令安当时是在美国留学,郭光灿和彭堃墀则是访问学者。

量子科技俨然成为当下国际竞争中的必争之地,引来各国大手笔下注。2018年6月,美国众议院科学委员会一致通过了《国家量子行动法案》,2019~2023年,美国将在量子研究方面投入12.75亿美元;2018年10月,欧盟宣布《量子旗舰计划》将在未来十年间在量子传感器、量子通信与量子计算机领域投入10亿欧元。

2016年8月16日,墨子号卫星发射升空,这是全世界第一个量子科学实验卫星。根据相关研究人员介绍,墨子号卫星完成了计划中的三个科学目标:地星的量子密钥分发、星地的量子纠缠分发,以及地星的量子隐形传态。这枚卫星目前还在轨道上正常运行着。

“大时代”

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