量子通信技术打破了哪些记录？

量子科技，被誉为21世纪前沿科技之一，近来一直是我国人民关注的重大科技问题之一，而我国在量子科技方面也都有着不俗的表现，在量子计算、量子通信、量子精密测量，中国全部位列第一梯队。在这方面：清华大学、中国科学技术大学、南京大学、华中科技大学等高校都有各自出色的表现。

清华大学在量子通信方面再获新突破

近日，我国在量子通信领域又获得新的突破——清华大学团队(龙桂鲁与陆建华教授团队)首次实现通信距离达到100公里的量子直接通信新系统，这是目前世界上最长的量子直接通信距离，该发现将有助于实现无中继条件下城际量子直接通信。

清华团队研发的新系统采用相位量子态和时间戳量子态的混合编码。时间戳量子态可用于抽样检测，大大降低噪声影响，通信依然采用具有自补偿性能的相位量子态。因此，新系统具有高度的稳定性和极低的本征误码率(即没有窃听时的误码率)，结合具有更强纠错能力的极低码率LDBCH编码，有效提高了安全通信容量、距离和速率。

新系统在50MHz(赫兹)激光脉冲频率下将最大可容忍损耗从5.1dB(分贝)提升到18.4dB，在商用低损耗单模光纤中的最远通信距离达到100公里，突破了之前18公里的最长距离。其通信速率也得到了提升，在30公里光纤距离下通信速率达到22.4kbps。

该成果如果得到推广应用，则可以在无中继条件下实现城市之间的点对点量子直接通信，同时可以支撑基于安全经典中继建立的广域量子网络的一些应用。

历史回顾：清华大学物理系龙桂鲁教授于2000年提出量子直接通信的首个协议。量子直接通信以量子态作载体来编码和传输信息，是量子保密通信的新范式。量子直接通信将噪声信道下的可靠通信发展为噪声和窃听信道下的可靠和安全通信。

2016年，清华大学和山西大学联合团队完成了量子直接通信的第一个实验演示。三年后，龙桂鲁教授团队和清华大学电子系陆建华教授团队合作，成功研制了国际上第一个量子直接通信系统，实现了1.5公里光纤距离下50bps(比特秒)的安全通信速率。他们还曾在中关村论坛(中国面向全球科技创新交流合作的国家级平台)发布世界首款实用化量子直接通信样机，实现了10公里光纤中4kbps(千比特每秒)的传输速率，并将通信距离进一步提升到18公里。

清华大学

清华大学：简称“清华”，位于北京市，是教育部直属的全国重点大学，是我国“双一流”、“985工程”、“211工程”重点建设高校之一。

学校入选了“2011计划”、“珠峰计划”、“强基计划”、“111计划”，中国大学校长联谊会、亚洲大学联盟、环太平洋大学联盟、中俄综合性大学连门以及清华—剑桥—MIT低碳大学联盟成员等等，被誉为“红色工程师的摇篮”。

学校校史：清华大学前身清华学堂始建于1911年，校名“清华”源于校址“清华园”地名，是晚清政府设立的留美预备学校，其建校的资金源于1908年美国退还的部分庚子赔款。1912年更名为清华学校。1928年更名为国立清华大学。1937年抗日战争全面爆发后，南迁长沙，与国立北京大学、私立南开大学组建国立长沙临时大学，1938年迁至昆明改名为国立西南联合大学。1946年迁回清华园。1949年中华人民共和国成立，清华大学进入新的发展阶段。中国高等院校1952年院系调整后成为多科性工业大学。1978年以来逐步恢复和发展为综合性的研究型大学。

师资力量：学校有教职工16021人，专任教师3729人，全职院士88位，包含了中国科学院院士53位以及全职中国工程院院士35人。

学科建设：学校设有21个学院、59个教学系，开设有82个本科专业;有博士后科研流动站50个，一级学科国家重点学科22个，一级学科博士、硕士学位授权点60个。

师资力量及其他：在清华大学的师资力量中，共有两院院士总数达到94位;在已公布的科研平台和科研成果方面，清华大学也是稳居全国高校第一;在两弹一星勋章获得者的23人中，清华校友就占据了7位。

近日，一则关于量子科技的新闻引起了社会关注。继2017年起先后完成10比特、12比特、18比特的真纠缠态制备之后，在量子科技领域一直走在世界前沿的中国科学家最近又刷新一项世界纪录——成功实现51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录，并首次演示了基于测量的变分量子算法。

从“墨子号”飞向太空到量子计算机研制成功，时至今日，中国的量子科技已经实现了从跟跑、并跑到部分领跑的历史飞跃，量子通信研究稳居国际引领地位，量子计算研究牢固确立国际第一方阵地位，量子精密测量研究多个方向进入国际领先行列。这也意味着，在“天地一体化”、大数据等“深蓝”技术领域，中国的发展正在加速。

这一切，离不开中国科学技术大学(中国科大)中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟院士的研究团队。

潘建伟院士主要从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究。作为国际上量子信息实验研究领域的开拓者之一，他是该领域有重要国际影响力的科学家。利用量子光学手段，他在量子调控领域取得了一系列有重要意义的研究成果，尤其是他关于量子通信和多光子纠缠操纵的系统性创新工作使得量子信息实验研究成为近年来物理学发展最迅速的方向之一。

量子飞跃，未来可期，用量子研究助力中华民族的伟大复兴，是潘建伟院士团队的梦想。正是对这个梦想的不懈追逐，让潘建伟和他的团队成为世界量子通信领域的领跑者。

量子之梦源于报国

2018年12月18日，在庆祝改革开放40周年大会上，潘建伟被授予“改革先锋”称号。在与大学生交流时，潘建伟谈起了自己的少年时代。

1987年，17岁的潘建伟考入中国科大近代物理系。在这里，潘建伟了解到许多科技前辈的感人故事。潘建伟对大学生们说：“很多外国人不明白，中国当时条件那么差，为什么能够完成‘两弹一星’的壮举?正是由于大批具有家国情怀的科学家，为了国家的科技事业奉献了自己的一切。”

在中国科大，潘建伟被量子理论的神秘深深吸引。随着研究的深入，潘建伟感觉到，量子力学中的各种奇妙的现象，需要更尖端的实验技术才能得以验证。因此，年轻的潘建伟决定出国深造，进入奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位。这次留学，潘建伟不仅为了自己的梦想，更是为了心中那个更大的中国梦。

2001年，潘建伟回到中国科大，在主管部门的经费支持下，开始筹建实验室，组建研究团队。2004年，潘建伟研究组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子隐形传态。《自然》杂志发表了这一成果，并称赞他们“完成了一次壮举”。该成果同时入选英国物理学会和美国物理学会评选出的年度国际物理学重大进展，这是中国科学家的“第一次”。

潘建伟说，让他感到骄傲的是，这表明国内研究组在光量子信息方面的工作已经跃居国际领先水平。

2003年，潘建伟提出卫星量子通信这一在国际上没有先例的设想。中国科学院支持潘建伟团队先期开展地面验证试验。经过数年的努力，当各项关键技术的积累已比较充分时，中国科学院又迅速决策，于2011年在国际上率先启动了量子科学实验卫星战略性先导科技专项。

为了推进量子科学实验卫星的研制，中国科学院统筹协调了上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等院内相关优势研究力量，与中国科大一起协同攻关。潘建伟认为，中国目前科研环境最大的优势就是可以集中力量办大事。正是由于中国科学院的果断决策和快速部署，使得中国在量子太空竞赛中占据先机。

量子通信走在前列

2016年8月，由潘建伟团队研制的“墨子号”量子科学实验卫星在酒泉卫星发射中心发射升空。这是由中国完全自主研制、世界上第一颗空间量子科学实验卫星，为中国引领世界量子通信技术发展奠定了坚实的科学与技术基础。

据量子科学实验卫星工程常务副总师王建宇介绍，“墨子号”在轨测试阶段全面完成了卫星平台测试、有效载荷自测试和天地一体化链路测试，成功构建了星地单向、星地双向、地星单向量子信道，可以满足空间量子科学实验的要求。“墨子号”在世界上首次建立了天地一体化量子通信实验测试平台，具备了开展空间量子科学实验的条件。

“墨子号”的主要应用目标是通过卫星和地面站之间的量子密钥分发，实现星地量子保密通信，并通过卫星中转实现可覆盖全球的量子保密通信。它可以在外太空以10kbps(千字节/秒)的速率给地面站分发量子密钥，比地面同距离光纤量子通信水平提高了20个数量级以上。这项技术突破使得中国在国际上率先具备了星地量子通信能力。

“墨子号”的另一前沿研究目标是在量子物理基本问题检验领域：即通过千公里量级的量子纠缠分发，首次在空间尺度检验量子力学的非定域性，并利用量子纠缠在地面和卫星之间实现量子隐形传态。此举将使得人类首次具有在空间尺度开展量子科学实验的能力，并为未来在外太空开展广义相对论、量子引力等物理学基本原理的检验做好了坚实的技术准备。

“墨子号”是中国在过去20年间大力发展量子信息技术的一个缩影。“因为中国在这个领域起步较早，也得到国家重视，所以一直保持一定优势。”潘建伟介绍，针对广域量子通信的发展，国际上有3种技术路线：通过光纤实现城域量子通信网络;通过中继器实现城际量子通信;通过卫星中转实现远距离量子通信。

中国在实用化城域光纤量子通信网络方面已经取得了较多进展。如2007年，实现了光纤量子通信的安全距离首次突破100公里;2008年，建成首个全通型城域量子通信网络;2012年，建成46个节点的规模化量子通信网络，并将“基于量子通信的高安全通信保障系统”投入永久运行。

在基于可信中继的城际量子通信网络方面，中国已建立光纤总长超2000公里的京沪干线，覆盖四省三市共32个节点，是世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线，于2017年8月底完成验收。目前，量子京沪干线已接入包括金融、电力、政务等上百多家行业用户，并通过多种安全性测试。

而第三种发展路线——在全球范围内覆盖各类海岛、远洋船舶、驻外机构等光纤难以或者无法到达的地方，“墨子号”的发射填补了这一空白。

潘建伟说，目前“墨子号”已顺利完成了三大科学实验任务。“墨子号”实现了北京和乌鲁木齐之间遥远地点的量子分发，后又完成了双向量子纠缠分发和远距离量子隐形传态实验。在此基础上，完成了“墨子号”和京沪干线的对接，实现了洲际量子保密通信;并对量子力学与引力的融合进行探索。