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量子卫星升空 将催生通信产业链千亿市场

时间:2016年08月16日 信息来源:科技日报 点击: 【字体:

首颗量子科学实验卫星在酒泉升空,引起全球关注。中国率先在这一领域的突破,将催生量子通信千亿市场,引发世界新一轮的通信技术研发竞争。量子通信产业链主要包含元器件、通讯设备、量子通信网络运营及专网应用服务四个环节。这其中,无论哪一个环节都充满商机。


三十年前奇想破茧化蝶 我国科学家为量子通信实用化铺平道路


1984年,IBM的两位工程师提出了全新保密通信方案,用量子物理学的极端特性来确保秘密不被窃取。这一方案中,传送者用光子的不同偏振态来表示密钥,也就是按照直线或对角线偏振的方式发出不同的光子。如果有人企图窃听,他只有在中途拦截光子测量,然后按照测量值发送一个相同的粒子。每窃听一个光子,窃听者有四分之一的可能被发现。当密钥长度增长至72个光子时,窃听者不被发现的可能仅有十亿分之一。


1991年,英国科学家又提出了一种新思路:用量子纠缠态来发密文。如果A和B各持有一个双胞胎粒子;A只要操作粒子,B就会得到同样的结果。这也是目前量子通信技术的理论基础。


1989年,IBM实验室制造了一个叫“玛莎姨妈的棺材”的小盒子,其中光子携带着密钥走了30厘米,证实了量子保密通信可行。1993年英国国防部将这一纪录提高到10公里。但是得到单个光子源,减少光子信号传输中的损耗,都是实际应用面临的困难。2006年,中科大的潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了超过100公里的光纤量子密钥分发;而美国和奥地利科学家随后也做到这一点。2008年,潘建伟团队发明了量子中继器,使得即将衰竭的光子将信息传给其他光子,被《自然》称赞为“清除了量子通信的一块拦路石”。


一步一步,量子通信实用化的路铺平了。


各国纷推星地计划 中国量子通信卫星先行一步


2008年,欧盟发布《量子信息处理与通信战略报告》;随后欧盟启动量子通信技术标准化研究,并成立“基于量子密码的安全通信”工程。目前,欧盟计划启动10亿欧元的量子技术旗舰项目,旨在建立极具竞争力的欧洲量子产业。


美国同样积极,美国国防部支持的“高级研发活动”计划将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络;NASA也计划在其总部和喷气推进实验室之间建立一个直线600公里、包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线,并计划拓展到星地通信。在美国国防部2013年到2017年的科技发展计划中,量子信息与控制技术被列入六大颠覆性研究领域。它将IBM、美国国防部高级研究计划署、中科大、洛克希德马丁公司和日本NTT公司列为该领域重要研究机构。


2014年,全球最大的独立科技研发机构美国Battelle公司提出商业化的广域量子通信网络规划,计划建造环美国的万公里量子通信骨干网络,为谷歌、IBM、微软、亚马逊等公司的数据中心提供量子通信服务。


日本也提出了量子信息长期战略。日本国立信息通信研究院计划在2020年实现量子中继,到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。


世界各国都在准备或已开展星地量子通信计划,其中包括美国NASA的PhoneSat计划,奥地利联合欧空局开展的“Space-QUEST”实验计划等。但中国的卫星先行一步。


中国发力后程赶超 量子通信产业化正在国际上担当领跑者角色


2013年,中科院设立了量子科学实验卫星战略先导专项计划,由中科大、中科院各院所和航天八院共同攻关。按照项目首席科学家潘建伟的计划,中国量子通信技术发展分三步:一是通过光纤实现城域网络;二是通过量子中继器实现城际网络;三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域网络。此次卫星发射开启了第三步。


在回答“为何先于欧美发射量子卫星”时,潘建伟说:“大多数人仍致力于实验室内部的原理性演示时,我们的团队已经开始思考如何能够在太空中实现量子信息传输,并早在2003年就初步构想了量子科学实验卫星计划。自2005年起,我们团队就开始星地量子通信的地面验证实验。”


“Anton Zeilinger研究组以及欧洲众多的优秀研究团队一直在与欧洲空间局商讨建立以国际空间站为平台的星地量子通信计划,然而,欧空局缓慢的决策机制使得这一计划一再拖延。”潘建伟说,“而在我国,一方面,国家高强度支持……另一方面,在卫星量子通信方向出现重大突破迹象时,中科院快速做出前瞻性决策,得以在国际上率先启动。”


“在量子通信产业化及相关应用技术方面,我们已经走在了美国的前面。”科大国盾量子公司总裁赵勇在接受媒体采访时说,“2011年,合肥城域量子通信试验示范网建成,该网络包括46个节点,是当时世界上首个规模化量子通信网络;2013年,济南量子通信试验网建成,该网络包括56个节点、90多个用户,面向完全承载实际应用、量子网络运维和优质的用户体验,是目前世界上最大的城域量子通信网络;目前在建的京沪干线项目,计划于2016年底建成连接北京、济南、合肥、上海等城域网络且全长2000多公里的量子保密通信线路,其将成为全球首个也是距离最远的广域光纤量子保密通信骨干线路。可以说,中国在量子通信产业化方面,正在国际上担当领跑者的角色。”


未来5年 量子通信或能服务普通消费者


中科院预计到2020年,亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发将实现,届时连接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。2030年左右,中国将建成全球化的广域量子通信网络。


目前中国建成的城域量子通信网络数量和长度均领先全球,它将率先在专网通信领域应用,用于数据传输和存储,主要客户为政府、军队和金融机构,未来将逐渐在公网和云安全等领域运用。据估计,未来5年,量子通信的市场规模有望达到100亿元以上。2017年中国专网通信市场预计将达169亿元,其中量子通信占据35亿元以上。


还有媒体预计,2019年前后,量子通信将会服务于消费者的网上转款和支付。全国性的组网建设将由运营商主导,量子网络标准将建立。2023年有望建成全国量子通信网。最终,量子通信模块被集成进信息产业的基础设施。


据报道,继京沪干线成功示范后,中国第一条量子通信商用干线“沪杭干线”预计将于今年9月竣工。


(本文部分内容由中科院科学传播局提供材料)


量子通信成为列强竞争新高地


欧盟计划启动10亿欧元的量子技术旗舰项目,旨在建立极具竞争力的欧洲量子产业。


美国国防部的“高级研发活动”计划将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络。


日本计划在2020年实现量子中继,到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。


(作者:高博)
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