.未来10 年中国可能发生的19 个重大科技突破[J].中国科学院院刊,2013,(5):601-651.

未来10 年中国可能发生的19 个重大科技突破

19 Major potential scientific and technological breakthroughs of China in 10 years

        量子通信，即量子密钥分发，是利用量子态对信息进行编码并传递的一种新型的通讯方式。基于量子力学的基本原理，量子密钥具有不可复制性和无条件安全性：一旦有人窃取密钥，就必然会被使用者发现，从而保证密钥的安全；而一旦密钥建立，加密的信息就无法被破解。

        1984 年，IBM的C. H. Bennett 和蒙特利尔（Montreal）大学的G. Brassard 共同提出第一个量子密码分配协议——BB84 协议，自此叩开了量子保密通信的大门。此外还有1991 年由牛津大学A. K. Ekert 提出E91 协议、1992 年由Bennett 提出B92 协议等，这些协议本质上和BB84 协议是一致的。如今，量子通信已经成为国际量子物理和信息科学与技术的研究热点，极有可能引发信息产业的一次重大革命。

        在短短的30 年中，量子通信的研究和应用不断取得世界瞩目的重大突破。量子通信的第一个演示性试验是由Bennett、Brassard 及其研究团队在1989 年完成的，传输距离只有30cm。瑞士日内瓦大学1993 年基于BB84 协议在1.1km长的光纤中传输1.3μm 电信波长的量子光信号。1999 年，瑞典和日本合作在光纤中成功地进行了40km的量子密码通信实验。美国LosAlamos 实验室成功实现了48km 量子密钥系统运行两年，2000 年他们在自由空间中使用量子密钥分发系统，传输距离为1.6km。2000 年以来，量子通信的距离和速率有了进一步的提升，一些小规模的量子通信试验网已经建成，验证了量子通信技术网络化的可行性。而利用光纤实现城市范围的量子通信网络、利用中继连接城域网形成城际网、利用自由空间实现远距离量子通信，这一实现广域量子通信网络的路线图，已得到国际公认。

        2003 年，美国国家标准与技术研究院和波士顿大学的科研人员研制出一种能探测到单脉冲光的探测器，它为开发安全量子通信和密码系统提供了关键技术。2004 年，日本NEC公司宣布创下了光纤量子密码传输距离的新记录：150km。同年，在美国国防部先进研究项目局（DARPA）支持下，由美国雷神（BBN）技术公司和波士顿大学建立的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。

        然而，由于量子密钥分发方案要求单光子源，而现实条件下不存在理想的单光子源，一般采用弱相干光源代替。理论表明，弱相干光源会导致巨大的安全性漏洞，在信道损耗达到一定程度时，攻击者可以利用“ 分离光子数（Photon NumberSplitting）”攻击，完全掌握密钥而不被使用者发现。因此，2005 年以前所有的实验都是原理性演示，真正的安全距离只有10km 量级，且成码率极低。2005 年，中国学者王向斌、陈凯等人提出的诱骗态（Decoy State）方案，克服了光源不完美带来的安全漏洞，使得利用弱相干光源同样可以实现安全距离超过百公里的量子通信。2007 年，超过100 公里的诱骗态光纤量子密钥分发被中科大潘建伟团队，以及美国洛斯阿拉莫斯国家实验室-美国国家标准与技术研究院（NIST）联合实验组同时

        实现，就此打开了量子通信走向实用化的大门。此后，一些实用化的小规模光纤量子通信网络先后在国际上建成。2008 年，基于诱骗态方案，潘建伟团队实现了国际上首个全通型量子通信网络。同年，欧洲联合实验组在奥地利维也纳也演示了一个多节点的量子通信网络（SECOQC Network）；2010 年起，洛斯阿拉莫斯国家实验室秘密构建了城域量子通信网络，直到2013 年才公布；同年，通过洲际合作，日本国家情报通信研究机构（NICT）等在东京构建了东京QKD 网络（Tokyo QKD Network）。

        在量子中继研究方面，国际上整体处于基础研究阶段。量子中继包括3 个要素：通过量子纠缠交换克服光子损耗、通过量子纠缠纯化克服消相干带来的量子纠缠品质下降、通过量子存储克服概率性事件带来的资源指数消耗。量子纠缠交换的概念在1993 年由波兰科学家Zukowski 等人提出，1998 年由潘建伟等人首次实现；量子纠缠纯化方案于1996 年由Bennett 等人首次提出，但以现有的技术水平难以实现。2001 年，潘建伟等人提出了现有手段可以实现的量子纯化理论方案，并于2003 年首次实现，在实验上无可辩驳地证明了量子信息处理中任意未知的退相干效应是可以被克服的。2008 年，结合量子存储，潘建伟团队在国际上首次演示了量子中继器的原型。对于量子存储，有两项核心指标：长存储寿命和高读出效率。

        根据这两个指标，最适合量子存储的物理体系是冷原子系综。2007 年，美国麻省理工学院Vuleti_小组实现读出效率达80%，此为目前最高的读出效率，但存储寿命很短，只有200 纳秒；2010 年，美国佐治亚理工学院Kuzmich 小组实现存储寿命达到100 毫秒，此为目前最长的读存储寿命，但读出效率很低，只有20%；2012 年，潘建伟小组实现存储寿命达到3 毫秒，读出效率达到70%，此为目前综合性能最优的量子存储。

        自由空间量子通信方面，2002 年，德国慕尼黑大学和英国军方下属的研究机构合作，在德国和奥地利边境相距23.4km 的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光成功传输了光子密钥；2005 年，潘建伟团队在合肥市大蜀山实现了13km 自由空间量子纠缠分发和量子密钥分发；2010 年，潘建伟团队与清华大学联合小组在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16km 的自由空间量子信道。这些实验验证了光子突破大气，进而通过近地卫星安全传送密钥并建立全球密码发送网络的可能性。2007 年，奥地利维也纳大学Zeilinger 小组在相距144km的两个小岛间实现了量子密钥分发。2012年，潘建伟团队在青海湖实现了百公里级自由空间双向量子纠缠分发，验证了在高损耗星地量子通道中实现自由空间量子通信的可行性_[1,2]。

        在欧盟发布的《量子信息处理和通信：欧洲研究现状、愿景与目标战略报告》中给出了欧洲未来5—10 年量子信息的发展目标，如将重点发展量子中继和卫星量子通信，实现1000km 量级的量子密钥分配。2008 年9 月发布了关于量子密码的商业白皮书，启动量子通信技术标准化研究。来自包括英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等12 个欧洲国家的41 个最优秀的研究组联合成立了“基于量子密码的安全通信（Secure Communicationbased On Quantum Cryptography,SECOQC）”工程，这是继欧洲核子中心和航天技术国际合作之后，又一针对科技重大问题的大规模国际合作。欧洲空间局提出了以国际空间站为平台的远距离量子通信实验计划（Quantum Entanglement forSpace Experiments, Space-QUEST）_[3]。

        20 世纪末，美国政府和科技界已将量子信息列为“保持国家竞争力”计划的重点支持课题。2002 年，美国国家科学基金会投入5 000 万美元对量子通信进行研究，2012 年，又投入400 万美元设立“量子信息

        科学跨学科教师计划”，对量子信息相关的交叉科学问题进行研究，同时开始培训和储备相应的跨学科教育人才。2009 年信息科学白皮书中要求各科研机构协调开展量子信息技术研究。美国国防部支持的“高级研究与发展活动”计划到2014 年将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络。

        日本提出以新一代量子信息通信技术为对象的长期研究战略，计划在5—10 年内建成绝对安全保密的高速量子信息通信网，以实现通信技术质的飞跃。日本邮政省把量子通信作为21 世纪的战略项目，以10 年

        的中长期目标进行研究。日本国家情报通信研究机构（NICT）也启动了一个长期支持计划，该计划在2020 年实现量子中继，到2040 年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。

        随着电子信息技术的飞速发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，而以量子效应为基础的量子通信，则日益显示出将成为引领未来科技发展的重要领域。全球信息产业界国际巨头IBM、Philips、AT&T、Bell 实验室、HP、西门子NEC、日立、三菱、NTT DoCoMo 等对量子通信技术投入大量研发资本，开展量子通信技术的研发和产业化。瑞士IdQuantique、美国MagiQ Technologies以及澳大利亚QuintessenceLabs 等公司已有量子密码相关产品。其中，瑞士IdQuantique 的量子密码产品已在多个领域得以应用，如为瑞士两家私人银行（Hyposwiss、NotenStein）分别构建了量子保密通信专线。量子通信不仅可用于国防等领域的国家级保密通信，还可用于涉及秘密数据、票据的金融行业和政府部门的复杂业务。在国防领域，量子通信能够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；能够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；还能够应用于深海安全通信，为远洋深海安全通信开辟崭新途径和目标，为国防赢得先机。此外，量子通信在各行各业都将发挥巨大作用，还可用于金融机构的隐匿通信，用于对电网、煤气管网和自来水管网等重要能源供给基础设施的监控和通信保障等_[4]。

        在中国，科技部、国家自然科学基金委、中科院等部门高度重视和大力支持量子通信的基础和应用研究。近年来，中国科学家一直在实用化量子通信领域实现突破，已有部分方面居世界领先地位。2004 年，中科大郭光灿研究组在北京与天津之间成功实现了125km光纤的点对点的量子密钥分配线路。2009 年，该小组在安徽省芜湖市构建了包括6 个节点的“量子政务网”。需要指出的是，当时的这些量子密钥分发线路不能克服光子数分离攻击。利用安全距离超过百公里的诱骗态量子通信技术，潘建伟研究组在前期量子通信原型设备与组网技术取得突破的基础上，2012 年，建设完成了国际上首个规模化的城域量子通信网络——合肥城域量子通信试验示范网。该网络包含46 个节点，规模远超国际上的同类型网络，在合肥市区多个政府部门、金融机构和科研院校得以应用。基于已成熟的规模化城域量子通信组网技术，同年该小组与新华社合作，建设了“金融信息量子通信验证网”，在国际上首次将量子通信网络技术应用于金融信息的安全传送。2013 年，由该小组牵头的千公里级大尺度光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”正式立项，将建设连接北京、上海，贯穿济南、合肥等地的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，建成国际上首个大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台。星地自由空间量子通信方面，由于潘建伟研究组前期取得的一系列技术突破，中科院于2011年底启动了“量子科学实验卫星”战略性先导科技专项。该专项预计在2016 年左右发射卫星，在国际上率先实现高速星地量子通信，连接地面光纤网络，初步构建我国广域量子通信网络_[1,5]。值得一提的是，国际量子通信研究的劲旅维也纳大学Anton Zeilinger 研究组主动提出合作进行星地自由空间量子通信研究的请求，目前中科院与奥地利科学院已签订合作协议，计划在该专项的框架下实现北京与维也纳之间的洲际量子密钥分发。

        2012 年，潘建伟教授因其“在量子通信和多光子纠缠操纵方面的先驱性贡献”，获得量子信息领域的国际最高奖——国际量子通信奖（Quantum CommunicationAward），成为首位获此奖项的中国物理学家。中国已在量子科学研究领域逐渐崛起，在量子通信研究方面已经具有很好的研究和应用基础，可能率先取得重大突破。正如2012 年底英国Nature 杂志将潘建伟小组实现百公里自由空间量子通信评选为“年度十大科技亮点（Features of theYear）”时所评论的，“这标志着中国在量子通信领域的崛起，从10 年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅……”。

        未来10 年，沿着广域量子通信的路线图，我国可能取得的重大科技突破包括：

        （1）光纤量子通信方面，量子通信的关键设备——单光子探测器的性能将大幅提升，这些性能指标包括：高工作频率、低暗计数率、高探测效率。同时，相关核心量子器件，如半导体单光子探测器的雪崩光电二极管（APD）将完全国产化。另一方面，大规模组网技术将进一步成熟，网络容量达到千用户以上量级；

        （2）冷原子量子中继方面，在数年内量子存储的寿命将达到100 毫秒，同时读出效率将达到80%以上，满足千公里距离量子通信的要求；（3）星地自由空间量子通信方面，星间量子通信、全天候自由空间量子通信、星载量子存储等面向下一代的自由空间量子通信技术将得以突破。通过这些技术的进步，将有望通过多颗卫星直接实现全球化量子通信、克服目前无法在白天进行自由空间量子通信的缺点、通过星间量子中继实现高效的全球化量子纠缠分发等。同时，基于更大尺度的星地光量子传输平台，还有望在量子力学非定域性、相对论效应、量子引力等物理学基本问题的实验检验上取得更多进展。