量子保密通信「京滬幹線」總長2000餘公裡，從北京出發，經過濟南、合肥，到達上海。吳名遂 製圖
張江國家自主創新示範區的中國科學技術大學上海研究院，今年將註定成為全球矚目的科學地標——今年7月，我國將發射全球首顆「量子科學實驗衛星」，而科學實驗中心（上海）即設在該院：今年底，全球第一條遠距離量子保密通信幹線「京滬幹線」將建成並驗收，京滬兩地及沿線的金融、政務機構可利用這條線路，進行遠程數據災備和量子安全數據傳輸，從物理原理上確保不可能被第三方竊聽到有用信息。
量子通信為何能從根本上解決通信安全問題？應用前景如何？記者日前走進中國科大上海研究院採訪了潘建偉院士、陸朝陽教授和上海國盾量子信息技術有限公司負責人。
基本原理：量子不可克隆
潘建偉說，講述量子通信的科學原理，還得從量子力學講起。這是一個與經典力學差異很大的物理學分支，是迄今為止描述微觀世界最準確的理論。
一個物理量如果不能連續變化，只能取一些分立的值，這個量就是量子化的。好比上臺階，只能上一級臺階，而不能上半級。宏觀世界裡的物理量似乎都能連續變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的，即存在一個最小的單位，不能再往下細分。
量子力學描述世界的語言與經典力學有根本區別。經典力學描述一個物體的狀態，會給出它的明確位置；量子力學描述一個微觀粒子的狀態，給出的則是疊加態——這個粒子在某些情況下既可能在這裡，也可能在那裡，沒有確定位置。好比孫悟空的分身術，一個孫悟空同時出現在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態。在通信領域，經典通信的信號只有0和1，量子通信不但有信號0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態。
量子疊加原理導致了量子不可克隆原理：在量子力學中，不可能實現對一個未知量子態的精確複製，這是量子通信達到「無條件安全」的基本科學原理之一。
任何竊聽都會擾動量子態
任何經典通信都存在被竊聽的可能性。如打電話時，他人可通過竊聽器，從通信線路中的信號中分出一些，使其進入另一根線路。竊聽時，0和1這兩種信號不會被擾動，所以通話者無法察覺。
《紐約時報》去年報導，美國國家安全局被曝監聽谷歌、雅虎用戶的通信，不需要侵入兩家公司的數據中心，只需截取光纜、電纜中傳輸的信息即可。這些跨國企業的數據中心分布在世界各地，用光纜和電纜相互連接，很多情況下傳輸信息並不加密，埋下了竊聽隱患。即便採用經典加密手段，也不能確保信息安全。
與經典通信不同，量子通信可以將信息編碼，加載到單個光子的量子疊加態的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，量子狀態無法被精確複製，任何竊聽行為都會對其造成擾動，從而被通信雙方察覺並規避。通過量子態傳輸，通信雙方協商生成量子密鑰，再加上對信息進行「一次一密」的加密保護，真正實現信息在傳輸中的完全隨機、不可破譯，從根本上解決通信安全問題。
陸朝陽預測，未來數年內，量子通信將實現大規模應用。經典通信的硬體設施不會被取代，只需在原有設施上「錦上添花」——在通信發送端和接收端安裝單光子探測器、量子網關等量子加密設備，即可在電話、傳真、光纖網絡等原有通信網絡中實現量子通信，安全性大幅提升。
抓住先機，上海加大布局
如今，量子通信技術已基本成熟，潘建偉團隊在這一領域佔據了國際引領地位，一個新興通信產業正在孕育、興起。
今年7月，我國將發射「量子科學實驗衛星」。這顆由中國科大、中科院上海技術物理研究所、中科院上海微小衛星工程中心、中科院成都光電技術研究所等單位聯合研製的衛星，將在全球率先實現高速星地量子通信。作為「天地一體化」的地面設施，量子保密通信「京滬幹線」計劃今年底建成並驗收。「京滬幹線」總長2000餘公裡，從北京出發，經過濟南、合肥，到達上海。利用這一廣域光纖量子通信網絡，京滬兩地的金融、政務等機構能進行保密通信。
面對這一新興高技術產業，上海市政府抓住了先機。去年1月，張江國家自主創新示範區專項發展資金重大項目啟動，建設量子保密通信上海總控及大數據服務中心、陸家嘴金融量子保密通信應用示範網。上海國盾量子信息技術有限公司負責人介紹，總控中心是「京滬幹線」「量子科學實驗衛星」「陸家嘴金融網」等重大項目量子通信網絡的管理、監控、控制和展示中心，負責全網監察和運維指揮。大數據服務中心將布局量子通信金融數據戰略災備設施和「量子金融雲」應用的試點，同時將試點建設「量子政務雲」，用量子技術保護每一個比特。陸家嘴金融量子保密通信應用示範網建成後，將與「京滬幹線」和「量子科學實驗衛星」互聯互通，為金融機構提供高安全等級的數據服務。
今年，第二期項目有望啟動。上海國盾量子公司將與電信運營商謀劃戰略合作，聯合開展在金融、政務、電力、大數據、網際網路+等戰略行業和重大領域的用戶拓展和布局，推動量子通信產業化發展。
（原載於《解放日報》 2016-03-10 10版）