量子衛(wèi)星升空將催生通信產(chǎn)業(yè)千億市場(chǎng)

 首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉升空，引起全球關(guān)注。中國(guó)率先在這一領(lǐng)域的突破，將催生量子通信千億市場(chǎng)，引發(fā)世界新一輪的通信技術(shù)研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)。量子通信產(chǎn)業(yè)鏈主要包含元器件、通訊設(shè)備、量子通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)及專網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)四個(gè)環(huán)節(jié)。這其中，無(wú)論哪一個(gè)環(huán)節(jié)都充滿商機(jī)。

三十年前奇想破繭化蝶

我國(guó)科學(xué)家為量子通信實(shí)用化鋪平道路

1984年，IBM的兩位工程師提出了全新保密通信方案，用量子物理學(xué)的極端特性來(lái)確保秘密不被竊取。這一方案中，傳送者用光子的不同偏振態(tài)來(lái)表示密鑰，也就是按照直線或?qū)蔷€偏振的方式發(fā)出不同的光子。如果有人企圖竊聽(tīng)，他只有在中途攔截光子測(cè)量，然后按照測(cè)量值發(fā)送一個(gè)相同的粒子。每竊聽(tīng)一個(gè)光子，竊聽(tīng)者有四分之一的可能被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)密鑰長(zhǎng)度增長(zhǎng)至72個(gè)光子時(shí)，竊聽(tīng)者不被發(fā)現(xiàn)的可能僅有十億分之一。

1991年，英國(guó)科學(xué)家又提出了一種新思路：用量子糾纏態(tài)來(lái)發(fā)密文。如果A和B各持有一個(gè)雙胞胎粒子;A只要操作粒子，B就會(huì)得到同樣的結(jié)果。這也是目前量子通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

1989年，IBM實(shí)驗(yàn)室制造了一個(gè)叫“瑪莎姨媽的棺材”的小盒子，其中光子攜帶著密鑰走了30厘米，證實(shí)了量子保密通信可行。1993年英國(guó)國(guó)防部將這一紀(jì)錄提高到10公里。但是得到單個(gè)光子源，減少光子信號(hào)傳輸中的損耗，都是實(shí)際應(yīng)用面臨的困難。2006年，中科大的潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā);而美國(guó)和奧地利科學(xué)家隨后也做到這一點(diǎn)。2008年，潘建偉團(tuán)隊(duì)發(fā)明了量子中繼器，使得即將衰竭的光子將信息傳給其他光子，被《自然》稱贊為“清除了量子通信的一塊攔路石”。

一步一步，量子通信實(shí)用化的路鋪平了。

各國(guó)紛推星地計(jì)劃

中國(guó)量子通信衛(wèi)星先行一步

2008年，歐盟發(fā)布《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報(bào)告》;隨后歐盟啟動(dòng)量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并成立“基于量子密碼的安全通信”工程。目前，歐盟計(jì)劃啟動(dòng)10億歐元的量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目，旨在建立極具競(jìng)爭(zhēng)力的歐洲量子產(chǎn)業(yè)。

美國(guó)同樣積極，美國(guó)國(guó)防部支持的“高級(jí)研發(fā)活動(dòng)”計(jì)劃將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò);NASA也計(jì)劃在其總部和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之間建立一個(gè)直線600公里、包含10個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計(jì)劃拓展到星地通信。在美國(guó)國(guó)防部2013年到2017年的科技發(fā)展計(jì)劃中，量子信息與控制技術(shù)被列入六大顛覆性研究領(lǐng)域。它將IBM、美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署、中科大、洛克希德馬丁公司和日本NTT公司列為該領(lǐng)域重要研究機(jī)構(gòu)。

2014年，全球最大的獨(dú)立科技研發(fā)機(jī)構(gòu)美國(guó)Battelle公司提出商業(yè)化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，計(jì)劃建造環(huán)美國(guó)的萬(wàn)公里量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數(shù)據(jù)中心提供量子通信服務(wù)。

日本也提出了量子信息長(zhǎng)期戰(zhàn)略。日本國(guó)立信息通信研究院計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。

世界各國(guó)都在準(zhǔn)備或已開(kāi)展星地量子通信計(jì)劃，其中包括美國(guó)NASA的PhoneSat計(jì)劃，奧地利聯(lián)合歐空局開(kāi)展的“Space-QUEST”實(shí)驗(yàn)計(jì)劃等。但中國(guó)的衛(wèi)星先行一步。

中國(guó)發(fā)力后程趕超

量子通信產(chǎn)業(yè)化正在國(guó)際上擔(dān)當(dāng)領(lǐng)跑者角色

2013年，中科院設(shè)立了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)計(jì)劃，由中科大、中科院各院所和航天八院共同攻關(guān)。按照項(xiàng)目首席科學(xué)家潘建偉的計(jì)劃，中國(guó)量子通信技術(shù)發(fā)展分三步：一是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)絡(luò);二是通過(guò)量子中繼器實(shí)現(xiàn)城際網(wǎng)絡(luò);三是通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的廣域網(wǎng)絡(luò)。此次衛(wèi)星發(fā)射開(kāi)啟了第三步。

在回答“為何先于歐美發(fā)射量子衛(wèi)星”時(shí)，潘建偉說(shuō)：“大多數(shù)人仍致力于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的原理性演示時(shí)，我們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始思考如何能夠在太空中實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸，并早在2003年就初步構(gòu)想了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃。自2005年起，我們團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始星地量子通信的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。”

“Anton Zeilinger研究組以及歐洲眾多的優(yōu)秀研究團(tuán)隊(duì)一直在與歐洲空間局商討建立以國(guó)際空間站為平臺(tái)的星地量子通信計(jì)劃，然而，歐空局緩慢的決策機(jī)制使得這一計(jì)劃一再拖延。”潘建偉說(shuō)，“而在我國(guó)，一方面，國(guó)家高強(qiáng)度支持……另一方面，在衛(wèi)星量子通信方向出現(xiàn)重大突破跡象時(shí)，中科院快速做出前瞻性決策，得以在國(guó)際上率先啟動(dòng)。”

“在量子通信產(chǎn)業(yè)化及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)方面，我們已經(jīng)走在了美國(guó)的前面。”科大國(guó)盾量子公司總裁趙勇在接受媒體采訪時(shí)說(shuō)，“2011年，合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)建成，該網(wǎng)絡(luò)包括46個(gè)節(jié)點(diǎn)，是當(dāng)時(shí)世界上首個(gè)規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò);2013年，濟(jì)南量子通信試驗(yàn)網(wǎng)建成，該網(wǎng)絡(luò)包括56個(gè)節(jié)點(diǎn)、90多個(gè)用戶，面向完全承載實(shí)際應(yīng)用、量子網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維和優(yōu)質(zhì)的用戶體驗(yàn)，是目前世界上最大的城域量子通信網(wǎng)絡(luò);目前在建的京滬干線項(xiàng)目，計(jì)劃于2016年底建成連接北京、濟(jì)南、合肥、上海等城域網(wǎng)絡(luò)且全長(zhǎng)2000多公里的量子保密通信線路，其將成為全球首個(gè)也是距離最遠(yuǎn)的廣域光纖量子保密通信骨干線路?？梢哉f(shuō)，中國(guó)在量子通信產(chǎn)業(yè)化方面，正在國(guó)際上擔(dān)當(dāng)領(lǐng)跑者的角色。”

未來(lái)5年

量子通信或能服務(wù)普通消費(fèi)者

中科院預(yù)計(jì)到2020年，亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)將實(shí)現(xiàn)，屆時(shí)連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成。2030年左右，中國(guó)將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

目前中國(guó)建成的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)量和長(zhǎng)度均領(lǐng)先全球，它將率先在專網(wǎng)通信領(lǐng)域應(yīng)用，用于數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)，主要客戶為政府、軍隊(duì)和金融機(jī)構(gòu)，未來(lái)將逐漸在公網(wǎng)和云安全等領(lǐng)域運(yùn)用。據(jù)估計(jì)，未來(lái)5年，量子通信的市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到100億元以上。2017年中國(guó)專網(wǎng)通信市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)169億元，其中量子通信占據(jù)35億元以上。

還有媒體預(yù)計(jì)，2019年前后，量子通信將會(huì)服務(wù)于消費(fèi)者的網(wǎng)上轉(zhuǎn)款和支付。全國(guó)性的組網(wǎng)建設(shè)將由運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)，量子網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)將建立。2023年有望建成全國(guó)量子通信網(wǎng)。最終，量子通信模塊被集成進(jìn)信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施。

據(jù)報(bào)道，繼京滬干線成功示范后，中國(guó)第一條量子通信商用干線“滬杭干線”預(yù)計(jì)將于今年9月竣工。

量子通信成為列強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)新高地

歐盟計(jì)劃啟動(dòng)10億歐元的量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目，旨在建立極具競(jìng)爭(zhēng)力的歐洲量子產(chǎn)業(yè)。

美國(guó)國(guó)防部的“高級(jí)研發(fā)活動(dòng)”計(jì)劃將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)。

日本計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。