谁是未来的量子力量？
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谁在“纠缠”：通信产业的量子力量
10月4日，诺贝尔奖委员会公布了2022年物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”方面的成就。
诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克在颁奖时说，三位获奖者各自使用纠缠量子态，进行了开创性实验，实验结果为基于量子信息的新技术扫清了障碍。“对纠缠态的研究非常重要，甚至超越了解释量子力学的基本问题”。
业界专家认为，这些开创性实验开启了第二次量子革命，促使量子通信技术的诞生。
厘清量子和量子通信
量子理论是现代物理学的两大基石之一，诞生于19世纪末20世纪初。与经典物理学关注宏观世界不同的是，量子理论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。而量子通信则是量子理论与信息理论的交叉学科，是一种利用量子的纠缠态实现信息传递的通信方式。
量子是近原子尺度的微观粒子系统，如光子、电子、离子等，及粒子中蕴含的各类物理量，不可分割的最小单位。量子纠缠态是指，相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的现象。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克曾打比方说，“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎兄弟，他们长得不分彼此，也心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥也能即刻得知。
也正是通过这所谓的“心灵感应”，在“量子纠缠”的帮助下，人们无论相隔多远也可以联系彼此。不过值得注意的是，量子通信技术并非仅仅用于“飞鸽传书”，而是实现更安全的信息传递。
目前，产业界公认的量子通信主要包括两种形式，一是量子密钥分发，二是量子隐形传态。量子密钥分发是经典通信的加密版，具体工作原理是，用弱相干光源发射光子，因为在弱相干光源条件下，发送端可以实现单一光子发射，而每个光子上都负载着一个经编码加密后的信息，将这些有着不同量子态的光子通过光纤传输后，接收方再将每个光子上负载的密钥信息进行解码，进而实现信息传递过程中的安全性。
打个比方，光纤网络就好比是一条高速公路，光子就是一辆满载货物的汽车。在经典通信条件下，汽车会组队按照一定路线行进；而在量子密钥分发下，汽车是单独行驶在路面上的，而且还会呈现不同的行进速度和状态，甚至会跑在不同的车道上，混在不同的车流中。前者可以截获完整的信息，而后者即便捕获到某一辆或某几辆车，也会造成货物缺失，哪怕是能够破解，也无法获得完整的信息。
量子隐形传态比量子密钥分发更神奇。其原理是制备一对纠缠粒子对，然后将这对粒子分发到不同地方，在经典通信的辅助下，在不移动量子态物理载体的情况下实现量子态空间转移。
这就好比是，将一个物体置于A点，然后通过扫描仪器将物体的所有物理信息和生物信息全部记录下来，在B点依照这些记录数据制造出物体的“完美”复制品，从而实现“物体”的转移。而且，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。
显而易见，与传统的通信技术相比，量子通信容量大，传输距离远，而且最重要的是保密性强，与物联网、大数据、云计算、智慧城市、人工智能等领域的安全需求结合，将具有十分广阔的发展前景。
走出应用场景“纠缠态”
由于具备较高的安全性，量子通信已成为科学研究、实验探索和商用落地的新通信技术之一。特别是量子密钥分发是最先走向实用化和产业化的量子信息技术。
当前，国内外量子保密通信产品/系统都处于示范性应用和大规模商业化应用的推广阶段。其中中国的相关技术已经逐渐走到了世界前列。
据了解，中国城域量子保密通信技术已初步满足实用化要求；在城际量子保密通信方面，中国建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”，在金融、政务、电力等领域开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范；在卫星量子保密通信方面，中国研制并发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”、世界首颗量子微纳卫星“济南一号”。
特别是，“墨子号”量子卫星在国际上率先实现了星地量子保密通信，充分验证了基于卫星平台实现全球化量子保密通信的可行性，相关科研成果在国际上引起了广泛关注。而“济南一号”量子微纳卫星，则使中国在世界上首次实现基于微纳卫星和小型化地面站之间的实时星地量子密钥分发，为构建低成本、实用化的天地一体化量子保密通信网络奠定基础，有利于进一步推进量子卫星地面站规模普及。
在量子保密通信网络建设和应用方面，中国自主研制的量子保密通信装备已经为多项重要活动提供了信息安全保障。而“国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程”项目、量子保密通信“齐鲁干线”、合肥量子通信城域网、南京市城域量子保密通信网等多地的城际网、城域网也在规划和建设过程中。
在标准化工作方面，中国产业各方合力持续推进相关标准的研究和制定，且取得了一定的进展。2021年，工信部发布了第一个量子通信标准，国家密码管理局发布了《诱骗态BB84量子密钥分配产品技术规范》《诱骗态 BB84 量子密钥分配产品检测规范》，目前还有大量标准有待研究发布。
当然，值得注意的是，推动量子通信商业化加快推进的主要因素，除了相关技术团队的支持之外，背后还有一条相对较为成熟的产业链。
据介绍，在量子通信产业上游主要是元器件和核心设备，包括电子学元器件、光学器件、结构件等，中国电科、国盾量子、问天量子等是其中的代表企业；中游主要是量子保密通信产品和相关技术服务供应商、量子保密通信网络集成与运营商等，国科量子、亨通问天、神州信息、三大电信运营商处于前列；下游主要是安全应用，通过和ICT/5G/物联网等技术的深度融合开发出高度适配、具备性价比的融合产品，触达B/C端消费群体，中国工商银行、新华社、三大电信运营商均有相关应用和产品落地商用。
总体而言，在量子通信领域，中国涌现了一批具备相当实力的创新企业。例如，背靠中国科学技术大学和中国科学院院士潘建伟团队的技术实力，国盾量子通过十余年的创新发展和积累，具备了产业化应用的核心技术和市场认可的研发成果，并已在上交所科创板上市。问天量子、中创为量子等企业在量子密钥分发核心设备和相关解决方案的研发方面也颇具实力。
光通信巨头亨通光电也与问天量子成立合资公司，在量子保密通信应用示范线的建设与运营方面展开合作。由亨通光电承建的宁苏量子干线也已正式开通运营，基于这条干线，亨通光电将量子保密技术应用到了银行业务应用中，实现银行金融数据在南京和苏州之间的量子保密传输。此外，亨通光电已规划与承建 “长三角量子保密通信环网”和“京津冀量子保密通信环网”。
在电信运营商方面，中国电信、中国移动已分别与国盾量子、国科量子合作发布了基于VoLTE的量子加密通话业务，中国联通与九州量子等企业合作，在雄安新区建成了量子密钥云平台、量子密钥分发网络等系统，可为各行业提供量子安全服务，并已在电力集群对讲、无人机巡检等多个业务场景得以使用。
从目前的应用状况来看，量子通信已经在政务、金融、电力等行业实现了初步应用，并逐渐向企业、个人客户拓展。业内专家认为，随着量子通信技术研究的持续推进，信息通信产业将加快应用落地的速度，“网络建设—接入应用—网络扩容”的良性循环也将形成，并反哺产业，实现行业的高质量发展。
量子力量：未来的机会
随着国家对信息安全的重视程度提升，量子通信正在成为一项战略性新业务。为引导推动，重视和扶持量子通信行业的进一步发展，国家和各地方政府有关部门相继出台了各项政策与规划。
在国家层面，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中提出，在类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发、氢能与储能等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。
而工信部印发的《“十四五”信息通信行业发展规划》亦提出，加大光通信、毫米波、5G增强、6G、量子通信等网络技术研发支持力度，跟踪开放无线网络技术研究，加速通信网络芯片、器件和设施的产业化和应用推广。
在国家方针政策的指引下，北京、上海、江苏等省份的地方政府也因地制宜地出台了量子通信产业相关政策规划，引导和鼓励量子通信技术的研究、推广和落地，纷纷争做量子通信产业高地。
这些利好政策的出台为量子通信产业发展提供了必要的政策支持，也助力相关产业驶入了发展的快车道。
但是，产业界也需要清晰地认识到，量子通信技术仍面临诸多挑战。业界专家认为，挑战主要来自三个方面。首先，基于量子密钥分发的量子通信尚未完全解决收发双方“密钥可达性”的问题。其次，基于量子密钥分发的量子通信在各类场景中的应用，还要探索解决“加密融合性”问题。最后，量子保密通信技术在工程和应用层面还存在较为明显的局限性，商用化推广和产业化发展仍处于探索培育阶段。
尽管如此，在国家有利政策的引导下，在中国科学院、中国科技大学等相关科研机构，以及国盾量子、问天量子等高新技术企业的持续探索和开放合作下，相信，中国量子通信产业将会有更加璀璨的未来。
采写：高超
编辑：胡媛
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