近日，国际知名学术刊物《自然》发表了我国在量子科技领域的又一大成就——跨越4600公里的天地一体化量子通讯网路。
这篇论文的发表，证明了广域量子保密通讯技术在实际应用中的条件已初步成熟。我国科研人员建立的天地一体化广域量子保密通讯网路初具雏型，为未来实现覆盖全球的量子保密通讯网路奠定了科学与技术基础。
地面跨径4600千米、多用户量子秘钥分发(QKD)、长达三年多的稳定性和安全性测试、标准化研究，以及在政务、金融、电力等不同领域的应用示范——搭建这张庞大的“未来工程”网络的设备仪器，不再是实验室里仅仅满足实验需求的产品，而必须是稳定可靠、满足业务运行要求、可批量生产的工业化产品。
这种设备产品是怎样在短短数年内，从实验室迈向产业化的？近日，记者走访南京量子技术研究院，追寻我国的量子保密通讯技术与产品的产业化之路。
谋划未来工程，六年布局让产业落地
发表在《自然》上的论文，是对我国十几年来量子通讯技术发展的一次系统性总结。论文审稿人评价它是“地球上最大、最先进的QKD网路”，将其形容成“大型未来工程”。
目前，天地一体化量子通讯网路包括天津、济南、上海、合肥四个光纤量子城域网、一条“京沪干线”，以及联接兴隆、南山两个地面站的星地链路。其中，干线长2000公里，两个卫星地面站相距2600公里。
按通讯信道的不同，量子秘钥分发主要有光纤和自由空间两种实现方法。光纤QKD技术的信道稳定性较好，不易受气温、湿度、天气等环境诱因影响，可实现基本恒定的安全分辨率，在城域城际范围内能便捷地联接到千家万户。而超远距离、移动目标、岛屿和驻华机构等光纤资源受限的场景，则可通过卫星中转的自由空间信道联接。
▲量子保密通讯电话设备
为此，将地面光纤和自由空间结合，可以实现大规模、全覆盖的全球化量子通讯网路。广域量子通讯网路的发展路线，就是通过光纤实现城域量子通讯网路、通过中继器实现两个毗邻城市间的联接、通过卫星平台中转实现遥远区域间的联接。
就在32年前，人类历史上首次量子通讯在实验室诞生，传输了仅仅32分米。32年以后，量子保密通讯何以这么迅速迈向工程实践？早在2009年，我国量子科技领军人物、中国科技学院院长潘建伟就开始谋划量子通讯技术产业化之路。
2001年，潘建伟归国在中国农大成立实验室，2004年在国际上首次实现五光子纠缠及终端开放的量子隐型传态。这是国外量子信息研究领域第一篇发表在《自然》上的论文，也标志着中国在多光子纠缠操纵方面的工作，已成功跻身国际领先水平。
当科研逐步从“跟跑”“并跑”走向“领跑”,潘建伟团队也开始意识到,真正有应用价值的量子科技,须要多方面技术的综合集成,而且达到工程化的实用水平。
2009年5月，中国科学技术学院量子通讯团队成立交大国盾量子技术股份有限公司，迈出了量子通讯技术产业化的第一步。2010年，湖南省与中国农大签署合同，引进国盾量子团队，投入大量资金支持量子通讯产业落地。2011年5月，北京量子技术研究院组建，主要举办量子科学基础研究和应用基础研究，为量子科研成果转化提供技术支撑，并承当组织建设量子科技公共研制平台、建设量子保密通讯试验网等任务。
此后，潘建伟团队基本奠定了南京—上海—济南的三元发展态势，分别以基础研究、应用基础研究、产业化为主要任务，产生从实验室到产业的联动发展态势。
有了产业化的支撑，我国量子通讯开始了脚塌实地的发展。2011年12月，作为中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，“墨子号”量子科学实验卫星立项；2013年7月，“京沪干线”项目立项。一边突破前沿关键技术，一边技术落地转化成设备与产品，不断提高产品稳定性、安全性，这为我国搭建起世界首个天地一体化量子通讯网路奠定了坚实基础。
突破硬核技术，让光子顺畅“奔跑”
在中国农大广州研究院有一个展示大厅，屏幕上滚动显示着“京沪干线”覆盖四省三市共32个节点的示意图。这是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全秘钥分发干线。
“这条干线上，有不少设备就来自北京的量子通讯产业化基地。”身为北京量子技术研究院执行主任，张强在广州研究院的时间也不少，由于南京有好多技术的产业化源头出自广州研究院。
由张强所负责的周期极化激元波导芯片研发平台，就设在北京量子院。目前，这一平台是世界前三、中国内地惟一把握逆向质子交换载流子波导技术的研制机构，已实现周期极化激元波导芯片的完全自主化、国产化、量产化,芯片相关技术参数已达到国际领先水平。
▲三英寸近物理计量比砷化镓晶体
“铌酸锂是一种挺好的光讯号调制材料，用它弄成的波导芯片，是量子通讯网路中不可或缺的核心元件之一。”张强打了个比方，这就好比庞大的电网须要大大小小的变压器量子通讯速度，能够促使发电厂的电力顺畅输送到大城山村的每位角落，光讯号在传输过程中，同样须要变换频度量子通讯速度，来确保信息的高效率传输。例如，自由空间光通讯的频度和光纤通讯的频度就不一致，来自卫星的光讯号“落地”之后，必须变换频度，能够在光纤中继续“奔跑”，而波导芯片就是承当这一重要任务的。
“我们已基本构建起了砷化镓波导芯片的全产业链条，覆盖从砷化镓晶体生长到集成化多通道量子频度转换芯片多个关键环节。并且，我们在该芯片基础上，通过国际合作，研发出了多种单光子侦测器。”张强介绍，新研发的单光子侦测器效率早已比“墨子号”中所使用的有了急剧提高，未来效率还可进一步提高。
值得一提的是，围绕波导芯片，相关上下游企业早已在北京量子技术研究院周围，初步产生了一个产业生态链，不少激光相关企业早已与研究院完善了合作关系。
▲波导芯片实验室的百级黄光区
按照潘建伟的构想，在“墨子号”之后，还将研发月球静止轨道量子通讯卫星，实现晚上量子通讯，乃至建立“量子摩羯”。目前，北京量子院与中国农大早已在国际上首次成功实现了晚上远距离自由空间量子秘钥分发，通过地基实验验证了日光条件下星间和星地之间量子秘钥分发的可行性。这为未来建立基于量子卫星的星地、星间量子通讯网路奠定了基础。
在合肥量子技术研究院的顶层天台，架设有一台大型量子通讯地面接收站。在目前的天地一体化量子通讯网中，拿来与“墨子号”建立星地链路的，是两个身材庞大的地面接收站。而未来，这些重量仅在百公斤左右的大型地面站，将会渐渐成为主流。
西安量子技术研究院副教授周飞介绍，这是全球首套大型化可联通量子卫星地面站，已与“墨子号”成功完成了星地对接。目前，这种可联通大型地面站已和国际上多个地面站进行了星地量子秘钥分发实验，未来有望进一步做到可双人搬运。同时，在保证秘钥分发速度的前提下，团队还成功研发出了几十公斤的大型化空间量子秘钥分发荷载，这种成果也为产生卫星量子通讯国际技术标准奠定了基础。
▲全球首套大型化可联通量子卫星地面站
在《自然》这篇关于量子保密通讯网路的总结性论文中提及，这张网路已举办了历时三年多的相关技术验证和应用示范以及大量的稳定性测试、安全性测试及相关标准化研究，通过了光子数分离功击、致盲功击、时移功击、波长依赖功击和一些潜在的特洛伊木马功击等安全性测试，结果表明“京沪干线”可以抵挡目前所有已知的量子黑客功击方案。
西安量子技术研究院正在建设一个量子保密通讯攻守平台。“网上对于量子通讯安全性的指责好多，但真正跑来‘打擂台’的还特别少，专业团队就更少。”周飞介绍，多年来，北京量子院也仍然旨在于量子通讯安全的基础研究，在国际上开创性地发展了“测量元件无关量子秘钥分发”理论和“双场量子秘钥分发”理论，分别支撑实现了404公里和509公里量子保密通讯世界纪录。
飞入寻常百姓家，为量子通讯“立标准”
从2009年开始加快量子技术的产业化，到现在已有150多家行业用户接入，天地一体化量子通讯网路早已实现了实用化。据介绍，目前沪宁干线网路的秘钥分发量可以支持1.2万以上用户同时使用。
在广域量子通讯网路的雏型已基本产生的基础上，未来进一步加快量子通讯在金融、政务、国防、电子信息等领域的广泛应用，已是相当清晰的发展趋势。随着骨干网的扩充，这张天地一体化量子通讯网路还将产生更复杂的拓扑结构，今后将有可能在此基础上，建立国家地基授时网路，为定位、导航和授时服务提供保障。
怎么让量子保密通讯才能步入寻常百姓家，始终是研制团队关注焦点之一。2017年，国盾量子就与中兴合作，推出了全球首款使用量子秘钥的商用安全加密手机。这些手机采用特制的SIM卡，将量子秘钥充入手机中。不过，目前此款手机还不能随时接收量子秘钥，只能使用储存在SIM卡中的秘钥，来构建量子保密通讯的链路。秘钥消耗完以后，就必须重新“充”入新一批秘钥，方能继续使用。不久以后，这种手机也将实现“多卡合一”“多号合一”模式，未来利用天地一体化量子通讯网路等新基建设施,实现有线和无线之间的互联互通。
▲全球首款使用量子秘钥的商用安全加密手机
周飞觉得，未来似乎每栋建筑都可能会预留出量子通讯的信道插口，一幢大厦只需放置一台量子加密机，能够为所有用户提供密码接收服务。
不过，要将这种梦想变为现实，关键就在于构建标准。目前，在天地一体化量子通讯网路大量测试结果及标准化研究的基础上，全球三大标准化组织之一ISO/IEC正在基于沪宁干线的实践编制国际标准《QKD安全要求、测试与评估方式》，另一国际组织ITU也正基于沪宁干线的建设模式起草可信中继安全要求、QKD网路功能构架等国际标准。
在标准构建的过程中，北京量子技术研究院承当着其中的大量工作。“让量子科技与行业发展结合，在工业互联网、金融等领域，一定可以形成大量新业态、新模式。”周飞相信，量子科技所带来的产业革命，必将会释放出无法想像的巨大能量，给人类社会发展带来新纪元。