中科大—清華聯合小組的研究人員在發送端調校光學設備。資料圖片
中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉在量子信息實驗室中工作。新華社發
量子通信以其絕對安全性、超大信道容量、超高通信速率、可遠距離傳輸信息和高效等特點，得到全球科技界、產業界普遍重視，主要國家爭相將量子通信研究作為戰略項目。量子通信已逐步從理論走向實驗，並向實用化發展。繼微電子信息之後，量子通信極有可能引發軍事、經濟、社會領域又一次重大革命
概念
利用量子糾纏效應進行信息傳遞
早在20世紀上半葉，科技界和產業界就期待找到一種新的通信方式——既不通過載體，也不受通信雙方空間距離的限制，不存在任何傳輸延時。隨著世界電子信息技術加快發展，以微電子技術為基礎的信息技術即將達到物理極限，量子通信的重要性日益凸顯。
微觀世界裡，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關係，不管它們離多遠，只要一個粒子狀態發生變化，就能立即使另一個粒子狀態發生相應變化。也就是說，兩個處於糾纏狀態的粒子無論相距多遠，都能「感應」對方狀態。利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通信方式，就是量子通信。
量子理論認為，微觀領域裡，某些物質可以同時處於多個可能狀態的疊加態，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現出某種確定的狀態。因此，對物質的測量意味著幹涉，改變被測量物質的狀態。基於這一原理，科學家們提出量子密碼的概念，也就是用具有量子態的物質作為密碼。這樣一來，任何截獲或測試量子密碼的操作，都會改變量子狀態。換言之，截獲量子密碼的人得到的只是無意義的信息，而信息的合法接收者也可以從量子態的改變中知道量子密碼曾被截取過。量子密碼被應用於量子通信系統中，便是所謂的「量子保密通信」。
光量子電話網和平常打電話一樣，卻不用擔心被竊聽。因為量子通信「一次一密」：兩人通話期間，密碼機每分每秒都在產生密碼，一旦通話結束，這串密碼就會立即失效，下一次通話絕對不會重複使用。
如何實現高速高效的量子通信，增強保真性，提升量子通信品質，是目前的前沿攻關領域。量子通信既可民用也可軍用，可用於金融機構的隱匿通信等工程，也可用於對電網、煤氣管網、自來水網等重要能源供給和民生網絡基礎設施的監視和通信保障。總之，量子通信同國民經濟健康有序發展相關的部門或行業都聯繫直接、緊密。如果同衛星裝置統一匹配，其應用領域還會更廣、更多、更深。
中國
基礎研究一流，產業化正有計劃推進
中國涉足量子通信研究的時間與西方國家相當。1997年，中國科學家潘建偉即參加了在奧地利進行的「量子態的隱形傳輸」試驗，該試驗堪稱國際上首次實現，對量子通信至關重要。其研究論文在世界權威刊物一經發表，便很快被公認為是量子信息實驗領域的開山之作。過去10餘年中，潘建偉研究團隊對量子通信領域的開創性探索貢獻突出：一是在2004年、2007年和2012年曾先後分別實現了五光子糾纏態、六光子糾纏態、八光子糾纏態的製備與操縱，都居於世界第一位次，連續刷新了世界紀錄，同歐美國家近一兩年才實現的五光子、六光子製備拉開了很長一段距離。二是很好地完成了長程量子通信中緊需的「量子中繼器」的實驗與製作，為向未來廣域量子通信網絡直至全球網絡的最終實現邁出了最重要步驟。三是對遠距離量子通信與空間尺度量子實驗關鍵技術的驗證，接連實現了一個又一個長距離量級的自由空間量子隱形傳態和雙向糾纏分發，為基於衛星的廣域量子通信以及大尺度量子計算、量子信息技術應用與實施奠定了堅實底基。
合肥城域量子通信試驗示範網於2010年年中啟動建設，一年多後建成。試運行證明，各項功能、指標均達到了設計預定要求。該項目已於2012年年初正式有計劃、分步驟地投入了工程應用。合肥量子通信網的建成使用，標誌著我國繼量子信息基礎研究躋身全球一流水平後，又在量子信息技術先期產業化競爭中邁出了重要的一步。除在中部安徽建立量子通信合肥及蕪湖城域網外，我國還在濟南這座東部城市實施了量子通信網的建設。安徽是全國首先將量子通信技術投向產業化的省份，皖魯兩地亦會表現出各有特色、彼此分工聯動態勢。其推出的量子通信類核心產品業已通過中試、形成系列產品，正在逐步推向市場。
按照我國量子通信研發、推廣預定計劃，北京、上海以及最邊遠的新疆烏魯木齊等城市也在陸續抓緊城域量子通信網的建設。這幾處城域網的建成，以及同合肥、濟南城域網的呼應與配合，將初步形成面向全國架構的局面。再經幾年過渡，越來越多的城市都將會利用量子衛星等方式加強信息連接，形成我國的廣域量子通信體系。中國科學院同中國科技大學聯合，已準備在2015年或2016年發射世界首顆「量子通信實驗衛星」。此項方案一旦落實，將無疑是驚動國際科技界和產業界的一樁大事件。
美國
最先列入國家戰略，實現系列突破
美國對量子通信的理論和實驗研究開始較早，並最先被列入到國家戰略、國防和安全的研發計劃。
1999年，美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室量子信息研究團體就實現了500米的自由空間傳輸。2003年，美國國防部高級研究計劃署又領銜建設了DARPA量子通信技術試驗網絡。2004年，美國麻薩諸塞州劍橋城正式投入運行了世界上第一個量子密碼通信網絡，網絡傳輸距離約為10公裡。2006年，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室進一步實現了誘騙態（量子通信中的「誘騙態」，是指為了實現量子通信過程的絕對安全性等性能目標，憑藉量子密鑰分發而對各種有益或無益信息進行有引導處理，並使之處於「無條件安全」狀態的特殊物理技術及方式）方案，並實現了超過100公裡的量子保密通信實驗。2007年，美國科學家讓兩個獨立原子實現了量子糾纏和遠距離量子通信。2009年，美國DARPA曾建成城域量子通信演示網。同一年，美國麻省理工學院科學家繼續在冷原子中量子存儲和波動研究領域有了新的突破，該方面技術是設計量子信息網絡的關鍵。美國2010年在量子源產出的單光子波長轉換、2011年在單量子位處理量子信息，以及2012年法國和美國在驗證傳輸光的原子和粒子之量子行為關係等方面，成果都意義卓著。
上世紀末，美國政府便將量子信息列為「保持國家競爭力」計劃的重點支持課題，隸屬於政府的美國國家標準與技術研究所更將量子信息作為三個重點研究方向之一。美國加州理工大學、麻省理工學院和南加州大學聯合成立了量子信息與計算研究所，直接歸美國軍隊研究部門管轄。2009年，美國政府發布的信息科學白皮書，明確要求各科研機構協調開展量子信息技術研究。同年，美國相關機構不僅及時地建成了城域量子通信演示網，還取得了量子存儲和波動研究的新突破。2011年，美國國家標準與技術研究所的科學家更是獲得了單量子位處理量子信息的最新系列成果。
日本
計劃2030年前建成高速量子通信網
日本政府和科技界一貫重視量子科技新領域的研發與攻關。數年前，日本就提出了以新一代量子通信技術為對象的長期研究戰略，並計劃在2020—2030年間建成絕對安全保密的高速量子通信網，從而實現通信技術應用上的質的飛躍。為此，日本郵政省還特地把量子通信作為21世紀全國戰略項目，並專門制訂了跨度為10年的中長期定向研究目標。2000年以來，日本的一些著名大公司和高校，始終在堅持不懈地研發量子通信的高端技術與系統，即使是難度較大的量子密鑰生成攻關，亦進展顯著。
美國和歐盟在量子通信領域的一連串突飛猛進，使日本備感形勢緊迫。早在2000年，日本郵政省就將量子通信技術作為一項國家級高技術列入開發計劃，主要致力於研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術。2002年，日本NTT公司曾研發出了差動移相量子密碼發送協議，並應用到試運行網絡上。2004年，日本研究人員用防盜量子密碼技術傳送信息獲得成功，傳遞距離可達87公裡。2005年，日本電氣公司開發出了一種即使氣溫與光纖長度等通信環境發生異常變化，其性能也不會降低的量子加密通信系統。同一年，日本松下電器產業和日本玉川大學利用光的量子擾動現象，試製出了一套防竊聽性能更高的光通信系統，傳輸距離為20公裡。2007年，日本一研究團體開發的量子密鑰技術，在現實條件下實現了信息經光纖的安全傳輸。2008年，日本東芝公司研究人員在量子密碼通信中，將密鑰的傳輸速度成功提高，使其更實用化。2009年，日本日立公司和東京大學科學家又共同開發出了可利用下一代高速大容量光通信的「相位調製技術」。2010年，日本一家信息通信研究機構的量子ICT集團，受託與多家電氣、電機、電信電話公司合作，在超高速寬帶網絡上採用量子密碼技術，已開發出了不能竊密的多點電視會議系統，並開始投入試運行。2011年，日本上述研究機構的同一集團將量子密碼技術應用於電視會議系統，充分實現了世界上最快的密鑰生成速度。
歐洲
聯合攻關，為鋪設量子網際網路做準備
歐盟推出了用於發展量子信息技術的「歐洲量子科學技術」計劃以及《歐洲量子信息處理與通信》計劃，並專門成立了包括英國、法國、德國、義大利、奧地利和西班牙等國在內的量子信息物理學研究網，這是繼歐洲核子中心和航天技術採取國際合作之後，又一針對重大科技問題的大規模國際合作。根據該方面重要而突出的聯合攻關任務，1993至2011年期間，英國、瑞士、奧地利、德國、法國、瑞典諸國的科學家曾連續創造了量子密鑰分發、量子密碼通信、太空絕密傳輸量子信息及量子信息存儲等一系列根本性突破。以上種種成功推動，很大程度又是在為下一步量子網際網路的全面建設鋪平道路。
英國從事量子通信的理論與實驗研究，同美國時間相差不遠。還在1993年，英國國防研究部在光纖中就實現了相位編碼量子密鑰分發，光纖傳輸長度為10公裡。1995年，瑞士日內瓦大學一對三的網絡量子密碼通信演示實驗取得成功。同一年，日內瓦大學通過在日內瓦湖底鋪設的23公裡民用光通信光纜進行了實地表演。也在那年，英國又成功實現了30公裡長光纖傳輸中的量子密鑰分發。1997年，日內瓦大學利用法拉第鏡，使得傳輸系統的穩定性和使用的方便性大為提高，被稱為「即插即用」的量子密碼方案。1999年，瑞典與日本合作，在光纖中成功地進行了40公裡的量子密碼通信實驗。2002年，德國慕尼黑大學與英國軍方又在德奧邊境山峰用雷射成功傳輸了光子密鑰。2006年，歐洲慕尼黑大學—維也納大學聯合研究團隊既成功地實現了誘騙態方案，同時又實現了超過100公裡的量子保密通信實驗。2007年，由奧地利、英國、德國等多國科學家合作，在量子通信中圓滿實現了通信距離達144公裡的最遠紀錄。2008年，義大利和奧地利科學家研究團隊首次識別出從地球上空1500公裡處的人造衛星上反彈回地球的單批光子，實現了太空絕密傳輸量子信息的重大突破，為將量子通信用於全球通信做好了準備。
（作者單位分別為中國科學技術大學國際發展研究所、國家知識產權局專利局審查協作北京中心）