张江国家自主创新示范区的中国科学技术大学上海研究院，今年将成为全球瞩目的科学地标。7月，我国将发射全球首颗“量子科学实验卫星”，科学实验中心（上海）即设在该院。今年底，全球第一条远距离量子保密通信干线“京沪干线”将建成并验收，京沪两地及沿线的金融、政务机构可利用这条线路，进行远程数据灾备和量子安全数据传输，从物理原理上确保不可能被第三方窃听到有用信息。

量子通信为何能从根本上解决通信安全问题？应用前景如何？记者昨天走进中国科大上海研究院，采访了潘建伟院士、陆朝阳教授和上海国盾量子信息技术有限公司负责人。

量子叠加态好似“分身术”

潘建伟说，讲述量子通信的科学原理，还得从量子力学讲起。这是一个与经典力学差异很大的物理学分支，由普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔等物理学家创立，是迄今为止描述微观世界最准确的理论。

一个物理量如果不能连续变化，只能取一些分立的值，这个量就是量子化的。好比上台阶，只能上一级台阶，而不能上半级。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化，但在微观世界，许多物理量是量子化的，即存在一个最小的单位，不能再往下细分，如同我国最小的流通货币是一分钱一样。

量子力学描述世界的语言与经典力学有根本区别。经典力学描述一个物体的状态，会给出它的明确位置；量子力学描述一个微观粒子的状态，给出的则是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里，也可能在那里，没有确定位置。好比孙悟空的分身术，一个孙悟空同时出现在多个地方，孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在通信领域，经典通信的信号只有0和1，量子通信不但有信号0和1，还有0+1、0-1等量子叠加态。

量子叠加原理导致了量子不可克隆原理：在量子力学中，不可能实现对一个未知量子态的精确复制，使每个复制态与初始量子态完全相同。这是量子通信达到“无条件安全”的基本科学原理之一。

任何窃听都会扰动量子态

任何经典通信都存在被窃听的可能性。如打电话时，他人可通过窃听器，从通信线路中的信号中分出一些，使其进入另一根线路。窃听时，0和1这两种信号不会被扰动，所以通话者无法察觉。光缆、电缆通信也存在这个问题。《纽约时报》去年报道，美国国家安全局被曝监听谷歌、雅虎用户的通信，不需要侵入两家公司的数据中心，只需截取光缆、电缆中传输的信息即可。这些跨国企业的数据中心分布在世界各地，用光缆和电缆相互连接，很多情况下传输信息并不加密，埋下了窃听隐患。所谓“道高一尺，魔高一丈”，在超级计算机突飞猛进的今天，即便采用经典加密手段，也不能确保信息安全。

与经典通信不同，量子通信可以将信息编码，加载到单个光子的量子叠加态的偏振方向上。单光子是光能量的最小组成单元，不能被再分割。根据量子不可克隆原理，其量子状态无法被精确复制，任何窃听行为都会对其造成扰动，从而被通信双方察觉并规避。通过量子态传输，通信双方协商生成量子密钥，再加上对信息进行“一次一密”的加密保护，真正实现信息在传输中的完全随机、不可破译，从根本上解决通信安全问题。

陆朝阳预测，未来数年内，量子通信将实现大规模应用。经典通信的硬件设施不会被取代，只需在原有设施上“锦上添花”——在通信发送端和接收端安装单光子探测器、量子网关等量子加密设备，即可在电话、传真、光纤网络等原有通信网络中实现量子通信，安全性将大幅提升。

推动量子通信产业化发展

如今，量子通信技术已基本成熟，潘建伟团队在这一领域占据了国际引领地位，一个新兴通信产业正在孕育、兴起。

今年7月，我国将发射“量子科学实验卫星”。这颗由中国科大、中科院上海技术物理研究所、中科院上海微小卫星工程中心、中科院成都光电技术研究所等单位联合研制的卫星，将在全球率先实现高速星地量子通信。作为“天地一体化”的地面设施，量子保密通信“京沪干线”正在建设，计划今年底建成并验收。“京沪干线”总长2000余公里，从北京出发，经过济南、合肥，到达上海。利用这一广域光纤量子通信网络，京沪两地的金融、政务等机构能进行保密通信。

面对这一新兴高技术产业，上海市政府抓住了先机。去年1月，张江国家自主创新示范区专项发展资金重大项目启动，建设量子保密通信上海总控及大数据服务中心、陆家嘴金融量子保密通信应用示范网。上海国盾量子信息技术有限公司负责人介绍，总控中心是“京沪干线”“量子科学实验卫星”“陆家嘴金融网”等重大项目量子通信网络的管理、监控、控制和展示中心，负责全网监察和运维指挥。大数据服务中心将布局量子通信金融数据战略灾备设施和“量子金融云”应用的试点，同时将试点建设“量子政务云，用量子技术保护每一个比特。陆家嘴金融量子保密通信应用示范网建成后，将与“京沪干线”和“量子科学实验卫星”互联互通，为金融机构提供高安全等级的数据服务。

今年，第二期项目有望启动。上海国盾量子公司将与电信运营商谋划战略合作，联合开展在金融、政务、电力、大数据、互联网+等战略行业和重大领域的用户拓展和布局，推动量子通信产业化发展。

题图：“量子科学实验卫星”和“京沪干线”示意图。  中国科大提供

视频：孙悟空的“量子叠加态”（辽宁卫视春晚《金猴闹春》）