量子通信：從線路到網路

　

　　量子通信技術的實用化，要求如同現在的經典通信一樣，在一定的範圍構建通信網路，滿足大量用戶的通信需求。基於成熟的光纖量子通信技術，目前已經可以建造簡單的量子通信網路。國內外已經建設了為數甚多的量子通信技術驗證網路。

　　美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學於2002年開始聯合建造DARPA網路。根據2005年公布的信息，該網路實際實現的最好技術指標是在BBN至Harvard這條長10.2km的線路上達到了大約1kbps的安全成碼率，誤碼率在3%左右。根據2012年度DARPA發布的報告，2009年DARPA已經完成了「國防部感興趣的」城域量子保密通信實驗網路的建設（Quantum Information Science項目)，並且在該項目里演示了遠距離量子通信所必須的量子中繼器。2010年起，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室秘密構建了城域量子通信網路，直到2013年才公布。有資料顯示，美國航空航天局（NASA）正計劃在其總部與噴氣推進實驗室（JPL）之間建立一個直線距離600公里、光纖皮長1000公里左右的包含10個骨幹節點的遠距離光纖量子通信幹線，並計劃拓展到星地量子通信。

　　2008年，歐洲聯合實驗組在維也納演示了SECOQC網路（Development of a Global Network for Secure Communication based on Quantum Cryptography），該網路是基於商業網路的包含6個節點的量子通信系統，集成了單光子、糾纏光子、連續變數光子等多種量子密鑰收發系統，建立了西門子公司總部位於不同地點的子公司之間的量子通信連接，包括電話和視頻會議等。集中展示了當時量子密碼技術的現狀。需要指出，SECOQC網路中某些通信協議的安全性沒有得到徹底證明，其通信過程中也並沒有完全使用「一次一密」的加密方式，因此網路的整體安全性並不嚴格。

　　日本國家情報通信研究機構（NICT）主導，聯合日本電信電話株式會社（NTT），NEC和三菱電機，並邀請到東芝歐洲有限公司，瑞士ID Quantique公司和奧地利的All Vienna共同協作在東京建成了六節點城域量子通信網路「Tokyo QKD Network」。該網路於2010年建成，集中了當時歐洲和日本在量子通信技術上開發水平最高的公司和研究機構的最新技術，最遠通信距離為90公里，45公里點對點通信速率可達60kbps，並在全網路上演示了視頻通話。但該網路仍然是一個多種量子通信協議的混合展示，其中某些協議的安全性並未得到嚴格證明。此網路隨後進一步升級，以建立新的試驗床環境。該試驗床在2011年9月開始投入研發，由NICT負責主導實施。

　　2008年，潘建偉小組在合肥演示的「量子電話網」在世界上首次實現了實時網路通話和3方對講功能。該成果很快被《Science》以「量子電話呼叫（Quantum Phone Calls）」為題進行了報道。接著英國《Physics World》又以「中國建立了量子網路(China creates quantum network)」為題做了專題報道。這一成果在通信速率和安全距離方面都有了本質的飛躍，標誌著無條件安全的量子通信已真正步入實用化階段。

　　不久，該研究組再接再厲，利用自主研發的光量子程式控制開關，於2009年8月在合肥成功實現了5節點的星型量子通信網路。這是國際上首個全通型的量子通信網路，展示和檢驗了系統組網的能力。實用量子通信系統的有效通信距離和覆蓋面積已達到城市範圍。

　　

　　[align="center"]國產8口量子程式控制交換機[align="left"]　　隨後，該研究組受託，按照國慶安保領導小組統一部署，在我國國慶60周年閱兵關鍵節點構建了「量子保密熱線」，經歷了重大應用的考驗，全面檢驗了技術水平。10月1日上午，時任中共中央總書記胡錦濤視察了天安門城樓警衛組，聽取了中央警衛局有關工作人員對國慶「量子保密熱線」的介紹、觀看了系統演示，並給予了高度評價。在重要時間、要害部門間的這次實際應用，充分表明了量子通信系統在城域的距離上已經具備極高的可靠性、穩定性和較強的實用性。

　　2009年5月，中國科技大學郭光燦小組在安徽蕪湖也演示了「量子政務網」，該網路具有多層級結構，連接了城市中的七個節點，最遠距離為10km，誤碼率穩定在1.8%~2.4%。

　　2010年3月，合肥量子通信試驗示範網建設完成，網內節點用戶為40個，實現了密鑰層與用戶應用層的獨立運行；支持實時語音通話、文字實時交互及文件傳輸等功能。這是當時規模最大的量子通信試驗網路，相比之前的試驗網路，網路節點數增大了近一個量級。它的建成和投入使用代表著城域量子通信網路技術發展的一次飛躍。

　　2012年2月，在中國科學院量子技術與應用研究中心的主導下，由山東量子科學技術研究院有限公司與其他單位合作建設的「金融信息量子通信驗證網」在新華社金融信息交易所正式開通。這是世界上首次利用量子通信網路實現金融信息的傳輸，是量子通信網路技術保障金融信息傳輸安全的第一次技術驗證和典型應用示範。該驗證網實現了高保密性的視頻語音通信、實時文字交互和高速數據文件傳輸等應用。

　　2012年11月，在黨的「十八大」期間，根據會務組的安排，在部分核心部位部署量子通信系統，為會議提供基於量子技術的安全通信保障。中國科學院和山東省政府聯合成立了項目領導小組，山東量子科學技術研究院有限公司與合作單位在項目領導小組的指導下，成功部署了與會代表信息資料庫實時高速同步、音視頻密話指揮網路系統。在會議期間，該系統成功實現了7×24小時零故障運行，為大會的安保工作做出了貢獻，並被安排在現場長期部署使用。

　　2013年11月，由山東信息通信技術研究院、濟南量子技術研究院建設，山東量子科學技術研究院有限公司承建的「濟南量子通信試驗網」投入使用。這是我國第一個以承載實際應用為目標的大型量子通信網，覆蓋濟南市主城區，包括三個集控站在內共56個節點，涵蓋政務、金融、政府、科研、教育等五大領域，是目前世界上量子節點、用戶數量、業務種類和「密鑰」發放最多、規模最大的量子試驗網，可以提供語音電話、傳真、文本通信和文件傳輸等量子通信業務。該網路的建設使量子通信技術在山東開始步入實用化階段，為量子通信技術在山東的產業化奠定了基礎，有力推動了量子通信產業鏈的形成。

　　當然，城域通信網路絕不是量子通信可以自滿的目標。量子通信最終的目標則是全球量子通信網路。基於現在的技術水平，設想中未來全球量子通信網路將具有三個層次——城域網路範圍、城際網路和洲際網路。城市範圍內利用現有的光纖網路構建城域量子通信網路；相隔距離不太遠（100公里量級）的城市間可以利用可信中繼連接各自的城域網，構成城際量子通信網路；在更遠的距離上（如相隔遙遠的城市間，或者國際間以及洲際間），則需要通過衛星的中轉實現星地量子密鑰分發，以建立通信網路的連接，構成洲際量子通信網路。

　

　2013年7月，由中國科學技術大學牽頭，山東信息通信技術研究院、中國有線電視網路有限公司、中國銀行業監督管理委員會、新華社和中國科學技術大學先進技術研究院等單位共同承擔的量子保密通信「京滬幹線」技術驗證及應用示範項目正式立項，搭建連接北京、上海，貫穿濟南、合肥等地的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網路，計劃用42個月建成國際上首個大尺度量子通信技術驗證、應用研究和應用示範平台。

　　在星地自由空間量子通信方面，由於潘建偉研究組前期取得的一系列技術突破，中國科學院於2011年底啟動了「量子科學實驗衛星」戰略性先導科技專項。該專項預計在2016年左右發射量子科學實驗衛星，在國際上率先實現高速星地量子通信，連接地面光纖網路，初步構建我國廣域量子通信網路。值得一提的是，國際量子通信研究的勁旅維也納大學Anton Zeilinger研究組主動提出合作進行星地自由空間量子通信研究的請求，目前中國科學院與奧地利科學院已簽訂合作協議，計劃在該專項的框架下實現北京與維也納之間的洲際量子密鑰分發。

　　

　　[align="center"]未來的全球量子通信網路結構設想圖