“不懂”量子的问天量子

出品  光子盒研究院

导读：中国科大郭光灿院士团队李传锋、许金时、王俊峰等人与其合作者在国际上首次实现了碳化硅中氮-空位（NV）色心的室温相干操纵，并且实现了单个NV色心的可控制备和光探测磁共振谱的探测。这种色心的发光波长在通讯波段，在量子通信和量子网络中具有重要用途。此外，郭光灿院士团队在量子通信产业化方面也走在世界前列，“量天问道，光灿中华”的问天量子已经步入了第二个十年。

诺贝尔奖获得者理查德·费曼曾经说过：谁要是懂量子力学，那么他就是真的不懂量子力学。

没错，量子的秘密至今无人能够解答，就连爱因斯坦也困扰终生，关于量子纠缠，他有一句名言，那就是“幽灵般的超距作用”。

不过不懂量子也不妨碍人们对量子的应用，早在2009年，中国科大的郭光灿团队就创办了问天量子，之所以叫这个名字，是因为只有天知道量子是怎么回事。

郭光灿院士从90年代开始从事量子信息研究，团队经过十几年的技术积累，最终孕育出了问天量子。又经过十年的探索和实践，问天量子已成长为全球领先的量子通信设备制造商和量子安全解决方案供应商。

从实验室走向市场

1981-1983年，中科大物理系讲师郭光灿被公派到加拿大访问学习。回国后，他用学校资助的2000元，在安徽滁州主持召开了全国第一个量子光学学术会议。

这个当年由郭光灿发起的量子光学会议一直持续至今，以此为基础，后来又成立了量子光学专业委员会。靠着这个学术活动，中国量子领域的研究队伍慢慢壮大起来。

到了90年代，郭光灿意识到量子信息将是未来的发展趋势，于是一位50多岁的物理学家便从零开始学习编码。

1997年，郭光灿完成了量子信息领域的第一项重要工作——量子编码。首次提出了“无消相干子空间”，即不会消相干的特殊量子态。文章在《物理评论快报》上一经发表，引起了国内外量子信息界的轰动，后来该方法也被美国若干著名实验室在实验上所证实。

2000年，郭光灿团队凭借“利用光腔制备两原子纠缠的方案”的研究再次轰动世界。后来法国科学家沙吉·哈罗彻（Serge Haroche）用实验证明了这一理论，并借此获得了2012年诺贝尔物理学奖。

之后，郭光灿开始从理论转向实验，他申请的中国第一个量子通信和量子信息技术的973项目在2001年获得通过。郭光灿团队所在的中科大量子信息实验室名被破例升格为中科院重点实验室。

郭光灿在973项目中担纲首席科学家，会聚了国内十多个研究所和大学的50多名研究人员参与该项目，后来走出了五名中科院院士。

郭光灿院士

2005年973项目结题时，成绩斐然。中科大在北京和天津之间实现了通信距离为125km的光纤QKD通信系统实验，这是中国在量子通信实用化上取得的重大突破。

2007年，郭光灿研究团队发明了全通型量子路由器，解决了量子信号在网络中自动寻址的难题，并在北京商用光纤上实现了40公里范围内四用户的城域量子通信网络，完成世界上首个无中转、任意互通的量子密码通信网络和国际上首先在实际地下光缆中进行诱骗态量子密钥分配实验。

2009年5月18日，中科院量子信息重点实验室郭光灿院士和韩正甫教授带领团队在芜湖建成世界上第一个“量子政务网”，标志着中国量子保密通讯技术步入应用轨道。

仅两个月后，依托中科院量子信息重点实验室，郭光灿、韩正甫在安徽芜湖创办问天量子。

问天量子拥有完整量子密码自主知识产权，芜湖量子政务网也是世界上首个多层级、复合型组网方案的综合体现。

2010年6月，问天量子研发生产的红外单光子探测器实现量产，使得中国成为全球第三个可批量生产红外单光子探测器的国家，为中国量子密码规模化应用打下了基础。

领航中国量子通信

2016年，“墨子号”发射成功后，中国量子保密通信网络开工建设和投入使用的网络数量和规模明显上升。问天量子成功抓住机遇，与上市公司亨通光电强强联手。

2016年8月13日，问天量子与亨通光电签署协议，共同投资设立江苏亨通问天量子信息研究院有限公司，问天量子以无形资产（专利）出资30%。亨通光电作为国内最大的光纤企业之一，近年来光缆、光棒的销量稳居前二。

签约仪式

亨通问天量子成立后，亨通负责量子保密通信用新型光纤、量子保密通信用高端光电子器件技术和产品研发方面提供必要资源和技术支持。问天量子则负责在量子密钥分配终端、量子路由器、量子交换机、VPN加密机（量子安全网关）等量子密码网络相关技术和产品研发方面提供必要资源和技术支持。

问天量子与亨通光电合作的第一个项目是2017年1月承建的宁苏量子干线，这条干线途经6个城市，全长600公里。

宁苏量子干线

经过近一年的建设，到2017年12月，宁苏量子干线通过专家组验收。该工程在量子设备性能、量子网络管控、抗攻击等功能和指标上均满足甚至高于设计要求，部分指标达到国际领先水平。

宁苏量子干线是世界上首个基于相位编码的长距离广域商用量子干线，所采用的F-M相位编码方案，具有超强的抗环境干扰能力，可实现干线全天候全时的稳定运行。

目前，问天量子的F-M相位编码方案，已获中、美、日专利授权。F-M系统实现了全线路扰动完全免疫量子通信，长期稳定，不受信道环境干扰。在地埋光纤、架空光缆、跨江铁路桥光缆等光缆上测试，均表现完美，是应对复杂光纤链路环境的核心技术。

稳定性测试

在完成宁苏量子干线的建设后，问天量子、亨通光电与中国联通共同承建了北京到雄安新区的京雄量子通信干线，是国内首条由电信运营商与量子保密通信方案提供商合建的量子保密网络。

京雄干线全长180公里，提供了量子加密视频会议、端到端通信保护、数据库加密备份等创新解决方案，可实现量子安全办公、数据中心远程灾备、量子政务网、金融数据量子加密传输等功能。

2019年5月，中国联通宣布京雄量子通信干线已开通，与亨通、问天成立的量子加密通信联合实验室也同步揭牌，未来将进一步开展多项量子安全新业务新技术试验。

量子加密通信联合实验室揭牌

目前，问天量子已经建成省级量子安全工程技术研究中心、院士工作站、合肥研究院、量子信息联合创新平台等量子信息研发平台和子公司合肥量芯科技有限公司，拥有量子保密通信多项国际和国内专利，可提供完全自主可控的量子信息安全系统整体解决方案。

问天量子提供从科研到应用等所有环节的量子保密通信产品。为科研人员提供多款量子密钥分配（QKD）实验系统，而在量子保密通信网络建设环节，问天量子的产品包括量子密钥分配终端、量子密码通信应用设备、量子密码网络运维保障产品。

其中，量子密钥分配终端、运维保障产品是构成量子保密通信网络的基础。

问天量子密钥分配终端包括三款产品，其中，偏振量子密钥分配终端在大部分情况下可实现密钥的安全分配、密钥管理等功能，并对上层应用提供密钥读取接口。

然而，在应对复杂光纤链路环境下量子密码通信网络中就要用到F-M相位编码方案，其中局域网可采用50M量子密钥分配终端，广域网就必须采用千兆量子密钥分配终端。

问天千兆量子密钥分配终端实现远距离光纤中密钥按需、实时、高速、安全分发，并对上层应用提供密钥读取接口。设备触发频率高达1GHz，是广域量子保密通信骨干网络中的核心设备。

千兆量子密钥分配终端

除此之外，量子保密通信网络还包括量子网络管理系统、量子密钥管控中心、量子密钥服务终端，这些就是运维保障产品。

最后，在客户端，量子安全网关（VPN）保障党、政、军等行业用户安全接入。量子安全网关以量子密钥替换现有基于公钥算法分配的密钥，对传输数据进行加密，解决了经典保密通信系统无法彻底解决的密钥分配和窃听检测等技术难题，实现无条件安全的保密通信。

有了丰富的产品线，问天量子可提供完全自主可控的量子信息安全系统整体解决方案。目前问天量子提供组网应用、行业应用等两类解决方案。组网应用属于基础设施建设，是由国家主导的；行业应用目前主要包括电力、金融、政务等。

比如在电力行业，问天量子已承建南方电网“基于量子密钥的保密通信技术在蓄能水电厂的应用研究”项目，这个项目是在南方电网范围内首次进行量子保密通信与电网业务相结合的实践。

在引领中国量子通信的同时，问天量子也注重培养下一代量子人才。去年7月，问天量子在2019量子密码学术会议上首次展示了量子教学实验方案Qlab、量子信息教学仿真平台Qsim、量子密码研究平台QCRP等系列产品，并宣布正式打造量子信息教育创新平台。

问天量子充分发挥在量子信息教育领域的新理念、新技术和新应用方面的积累和优势，通过教学内容和科研平台、创新创业教育项目、量子实践条件建设项目等方面与各高校展开合作。

实际上，问天量子不完全是一家量子保密通信公司，因为它还有量子测量的相关产品，包括激光器、探测器、时钟发生器、符合计数仪、时间数字转换器、延时信号计数器。

5G+量子保密通信

2019年被称为5G元年，同时人们的安全通信需求与日俱增，让5G与量子保密通信的结合有了可能。

去年3月，韩国SK电讯传出已经开始把量子保密通信技术应用于5G网络之中。SK电讯是把量子随机数发生器（QRNG）技术应用于其5G网络的用户认证服务器。QRNG这种量子技术由瑞士的IDQ公司提供，该公司在2018年2月被SK电讯收购。

SK电讯介绍，QRNG能够阻止任何网络攻击的发生，并指出该技术将可确保其5G用户的个人安全信息。

SK电讯ICT中心负责人Park Jin-hyo说：“对于5G网络来说，‘安全’变得更加重要，我们将通过量子保密通信技术的发展以及应用的扩展，来引领韩国的5G时代。”

今年5月，SK电讯和三星电子宣布推出全球首款搭载量子加密技术的智能手机。该手机在三星A71 5G版本的基础上搭载SK旗下IDQ公司开发的量子随机数生成芯片（QRNG），这也是业内第一款配备QRNG芯片的智能手机。

显然，5G+量子保密通信已经成为国内外的一个重要趋势。通过与设备商亨通光电、运营商中国联通合作，问天量子积累了相关经验，开始加入到5G的大趋势之中。

2019年11月，问天量子携手亨通光电集中发布了5G新品、大数据物联网新品、量子保密通信新品、5G承载解决方案、工业互联网解决方案等新品及解决方案。具体包括量子密钥安全服务平台、量子安全加密盒、量子安全电话终端等量子保密通信新品和解决方案。

5G智慧应用高峰论坛

量子密钥安全服务平台是集量子密钥生成和管理等核心功能为一体的平台，为量子密钥应用产品提供真随机的量子密钥。

量子安全加密盒是一款网络层数据加解密产品，支持X.25、TCP/IP通信接口协议，由量子密钥安全服务平台提供量子密钥。设备小型化使得组网非常便捷。产品可广泛应用于便携式办公电脑、视频监控摄像头、视频会议系统等场景。

此外，最大的亮点就是量子安全电话终端了。这款产品是世界上首款量子模拟电话语音加密装置，由量子密钥安全服务平台提供量子密钥，可实现电话语音高保真、高安全加密。使用时只需将该产品串接到模拟电话终端即可，主要应用于各类组织、群体等模拟电话网络。

众所周知，从模拟电话到智能手机需要很大的跨越，尽管如此，仍不能动摇问天量子“量天问道，光灿中华”的决心。

向天问道！迄今为止没有一个人能够真正理解量子力学，但我们生活的这个宇宙已经给我们指明了方向，比如“墨子号”已经证明了量子纠缠是真实存在的。世界各国也将量子信息作为重要的科技战略，中国作为全球量子通信领域的主要推动者自然当仁不让。

中国量子通信的这杆大旗，问天量子能扛起吗？

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。