近日，國際上首個量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)由我國科學家郭光燦院士在北京測試運行成功。這是迄今為止國際公開報道的唯一無中轉(zhuǎn)、可同時任意互通的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，標志著量子保密通信技術(shù)從點對點方式向網(wǎng)絡(luò)化邁出了關(guān)鍵一步。2009年7月15日，就量子信息學領(lǐng)域的發(fā)展狀況等問題，本刊記者在北京永興花園飯店采訪了中國科學院院士、中國科技大學教授郭光燦。

        愛聽岳飛故事的童年

        郭光燦1942年出生在福建惠安一個貧苦漁民家庭。他在家中排行老三，上有兩個哥哥。一家人靠父親用小木船運貨維持生計。1945年他只有三歲時，父親被日本人抓去做苦工，不久客死海外。含辛茹苦的母親一手撫養(yǎng)起三個孩子。勤勞的母親雖然不識字，但在繁忙的家務之余，堅持給他們?nèi)值苤v岳飛精忠報國的故事，教育他們以后為國家出力。
        閩南自古有著濃厚的讀書傳統(tǒng)，盡管家里十分貧寒，但母親還是設(shè)法送他們進學校念書。母親的豁達、堅忍、深明大義影響了他的一生。郭光燦說：“小時候聽母親那些故事后，我開始隱約認識到，人活著不應只為自己，心里還要有國家、有民族、有他人?！碧崞鹄夏赣H，他充滿感激地說：“母親很善良，也很有遠見，她一直鼓勵我們繼續(xù)讀書。我很感激我的母親，她影響了我的一生。”

        尋找和發(fā)現(xiàn)科學發(fā)展前沿的新生長點

        后來，郭光燦以優(yōu)異成績考入著名的泉州五中，三年后被保送上高中。在高中，郭光燦兩年就完成了三年的學業(yè)。1960年，郭光燦考進中國科技大學無線電電子學系，中科大的學術(shù)氛圍深深感染了他。那時侯，嚴濟慈、華羅庚等老一輩科學家都在為科大學生上課。科學家們嚴謹治學的風格和縝密的思維方式也給了他深刻的影響。
        郭光燦院士說，最重要的是他始終有一種對科學的激情，他始終在尋找和發(fā)現(xiàn)科學發(fā)展前沿的新生長點，挖掘最有可能做出成果的突破口。
        他在中國科技大學本科學的是無線電，畢業(yè)后他卻“迷”上了當時熱門的激光。于是郭光燦開始了科研方向的首次轉(zhuǎn)變，從無線電系轉(zhuǎn)到物理系，著手開展氣體激光研究。那時候，國內(nèi)大多數(shù)人都在研究氦—氖、氬離子、二氧化碳等“老三樣”，但他就是要琢磨點“與眾不同”：選擇氮氣作為自己的研究對象。1974年，他和同事成功研制出國內(nèi)第一臺氮分子激光器，并榮獲當年全國科學大會獎。 
        文革結(jié)束后，國內(nèi)激光學研究如火如荼，他又出人意料地去打造“鉆石”了。1981年，郭光燦到加拿大多倫多大學做訪問學者，發(fā)現(xiàn)“量子光學”在國際已經(jīng)發(fā)展20年，而在國內(nèi)仍是一片處女地。雖然與本專業(yè)相距甚遠，但是他還是決定轉(zhuǎn)向量子光學。為迎頭趕上，郭光燦花了大量時間與精力去自學，甚至與研究生一起去聽量子場論這樣的理論物理基礎(chǔ)課。那段時間，他每天都要學到深夜兩點，幾乎生活在被人遺忘的空間里，結(jié)果不久在光場非經(jīng)典效應等方面做出重要成果。 
        然而，創(chuàng)新和轉(zhuǎn)變的腳步并沒有就此打住。郭光燦說：“如果一個學科已經(jīng)發(fā)展成熟，一流科學家做出的往往是二流科學家的工作；如果一個學科處在萌芽初期，二流科學家則有可能做出一流科學家的成就?！鄙鲜兰o90年代初期，量子信息研究在國際上剛剛起步，郭光燦敏銳地覺察到此領(lǐng)域“別有洞天”。 
        他認為，在量子信息學領(lǐng)域，只要選擇有分量的課題深入研究，一定能出成果。于是郭光燦以量子密碼學和量子編碼兩個方向為切入點，領(lǐng)導課題組進軍量子信息研究領(lǐng)域。尤其是在量子編碼克服消相干方面，利用原有的量子光學研究基礎(chǔ)，該課題組發(fā)現(xiàn)了相干保持態(tài)，進而獲得量子避錯編碼方面的一系列成果。后來又首先在國際上提出了量子概率克隆的方法，被國際學術(shù)界稱為“段—郭概率克隆機”、“段—郭界限”。 
        郭光燦說：“科研不能只在傳統(tǒng)領(lǐng)域‘炒剩飯’，必須根據(jù)學科發(fā)展和國家需求不斷拓展新的科研領(lǐng)域，尋找新的生長點，求‘變’才能出新?！?

        量子信息學：平等的“起跑”機會

        上世紀90年代，對于郭光燦來說，學術(shù)研究是寂寞的。當時，國內(nèi)從事量子信息研究的寥寥無幾。他日常性的工作就是科普，逢人就解釋諸如“量子是什么”、“量子糾纏是什么”的“掃盲”工作。 
        “量子糾纏”是什么？郭光燦說，量子糾纏“就像一個母親和她的女兒，分別居住在中國和美國。在美國的女兒懷孕了，當她生孩子的一瞬間，哪怕遠隔千山萬水，不用電話通知，遠在中國的母親就順理成章地變成了外婆?！边@是郭光燦做科普報告時最常打的一個比喻?！凹m纏是一種非常奇怪的性質(zhì)，兩個粒子無論分開多遠，對其中一個粒子操縱或者作用，必將影響另一個粒子的態(tài)?！?nbsp;
        1996年，量子計算機的先驅(qū)之一Bennett在《自然》雜志上聲稱，量子計算機將進入工程時代。這就意味著，傳統(tǒng)密碼學可能遭到徹底顛覆，信息科學會因為新技術(shù)的出現(xiàn)而重新“洗牌”。當時，在西方各國，相關(guān)研究如火如荼，方興未艾。而國內(nèi)對此領(lǐng)域持續(xù)跟蹤的，掰著指頭數(shù)，也就數(shù)中國科技大學郭光燦了。 
        郭光燦說，比賽最怕輸在起跑線上?！耙约す夂臀㈦娮訛榇淼默F(xiàn)代技術(shù)，我們是遠遠落后的。”早在上世紀60年代，日本就看到半導體取代電子管的趨勢，大力發(fā)展微電子基礎(chǔ)研究，而當時的中國還在積極引進蘇聯(lián)的電子管廠。 
        1998年，在著名科學家王大珩的推動下，召開了一次量子信息學的香山會議。時任科技部部長的朱麗蘭看了與會名單，深感參與的單位太少。國內(nèi)鮮有人知的量子信息學，大有“養(yǎng)在深閨未人識”的感覺。 研究經(jīng)費少，學術(shù)爭議大，郭光燦的研究工作開展得異常艱難?！爱敃r真有點孤家寡人的感覺”，他回憶說。 由于很多人對此領(lǐng)域完全不了解，郭光燦幾度申請項目，都遭到了否定。他經(jīng)常一人背著笨重的電腦往返于全國各地，向?qū)＜液涂萍疾块T宣傳講解量子研究的重要意義。

        帶來量子因特網(wǎng)的曙光

        郭光燦院士介紹，今年3月，由他領(lǐng)導的中科院量子信息重點實驗室，利用自主創(chuàng)新的量子路由器，在北京網(wǎng)通公司商用通信網(wǎng)絡(luò)上完成了四用戶量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)的測試運行，并確保了網(wǎng)絡(luò)通信的安全。這是迄今為止國際公開報道的唯一無中轉(zhuǎn)、可同時、任意互通的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，標志著量子保密通信技術(shù)從點對點方式向網(wǎng)絡(luò)化邁出了關(guān)鍵一步。
        數(shù)年前，美國科學家曾提出了構(gòu)建量子因特網(wǎng)的設(shè)想，但有關(guān)研究進展艱難。有關(guān)專家表示，這次實驗的成功，也為量子因特網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，使量子因特網(wǎng)的問世露出了“一線曙光”。 
        網(wǎng)絡(luò)時代，網(wǎng)絡(luò)信息安全一直是困擾人們的一大難題。據(jù)專家介紹，現(xiàn)代密碼技術(shù)是建立在算法復雜度基礎(chǔ)上的。隨著分布式計算和量子計算機的發(fā)展，現(xiàn)代密碼在原理上都可以被破譯，通信安全隱患十分突出。而根據(jù)量子力學基本原理，量子信息無法復制，任何截獲或測量操作都會改變量子的狀態(tài)，都會被通信者發(fā)現(xiàn)。因此，量子密碼在原理上是“無法破譯”、“絕對安全”的。 
        但要將量子密碼應用于網(wǎng)絡(luò)通信，國際學術(shù)界面臨兩大難題。其一是量子密碼系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，即要經(jīng)受得住商用通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的各種干擾。2004年，郭光燦領(lǐng)導的研究小組在北京和天津之間成功實現(xiàn)了125公里光纖的點對點的量子密鑰分配，解決了量子密碼系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。 
        另外一個難題，是在量子信息不能測量，測量就會被破壞的前提下，網(wǎng)絡(luò)在傳輸中如何自動找到特定的路徑，將信息完整準確地傳送給對方。為解決這個難題，郭光燦領(lǐng)導的研究小組巧妙利用波分復用技術(shù)，設(shè)計出國際上第一個量子路由器，解決了量子信息自動尋址難題，使量子網(wǎng)絡(luò)中任意一個用戶都能自由選定網(wǎng)內(nèi)任意用戶與其實現(xiàn)量子密碼通信。 
        不久前，郭光燦課題組在北京網(wǎng)通公司的商用光纖線路上進行多用戶測試。用戶之間最短距離約32公里，最長約42.6公里。測試系統(tǒng)成功演示了一對三和任意兩點互通的量子密鑰分配，并在對原始密鑰進行糾錯和提純基礎(chǔ)上，完成了加密的多媒體通信實驗。 
        量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)是當前國際上熱門的研究課題之一。歐洲、北美和日本投入了大量的人力物力進行研究，并提出了多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和尋址方式。有關(guān)專家認為，由郭光燦等人完成的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)在商用光纖上可以長期穩(wěn)定運行，性能優(yōu)于國際上現(xiàn)有的其他量子密碼網(wǎng)絡(luò)方案；同時，在目前的技術(shù)條件下，它能擴建成擁有數(shù)百個用戶的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。“量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)測試運行成功，意味著量子密碼通信在一個城市進行商用的關(guān)鍵技術(shù)得到解決?！惫鉅N表示，“如果一個城市有建立量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)的需要，相關(guān)的技術(shù)應該可以在數(shù)年內(nèi)解決?！?BR>        2009年5月18日上午，中國科大在蕪湖市廣播電視中心舉行的成果發(fā)布會上宣布，郭光燦院士在蕪湖市建成了世界上第一個“量子政務網(wǎng)”，并投入試運行。量子政務網(wǎng)采用了我國具有全部知識產(chǎn)權(quán)的單向量子保密通信方案和設(shè)備，以及量子保密通信網(wǎng)絡(luò)核心組網(wǎng)技術(shù)，標志著我國量子保密通信技術(shù)已經(jīng)正式步入應用軌道。 
        首期建成的蕪湖“量子政務網(wǎng)”連接了市科技局、招商局、經(jīng)貿(mào)委、總工會和質(zhì)監(jiān)局等市政機關(guān)以及蕪湖市電信大樓的八個用戶，設(shè)置了四個全通主網(wǎng)節(jié)點和三個子網(wǎng)用戶節(jié)點，以及一個用于攻擊檢測的節(jié)點。該網(wǎng)絡(luò)融合了國際上現(xiàn)有的三種組網(wǎng)技術(shù)，首次設(shè)計出具有多層次、旨在滿足不同用戶需求的多功能量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)可以完成任意兩點之間的絕對保密的通信過程，不僅可以實現(xiàn)保密聲音、保密文件和保密動態(tài)圖象的絕對安全通信，還能滿足通信量巨大的視頻保密會議和大量公文保密傳輸?shù)男枨蟆?nbsp;
        蕪湖“量子政務網(wǎng)”所使用的核心器件和設(shè)備，包括最關(guān)鍵的光電調(diào)制芯片，全部為我國自主研發(fā)或與國內(nèi)單位聯(lián)合研制，整個網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化。這一成果使我國具有全部知識產(chǎn)權(quán)的單向量子保密通信方案和設(shè)備，以及量子保密通信網(wǎng)絡(luò)核心組網(wǎng)技術(shù)真正在實際工作中得以應用。蕪湖“量子政務網(wǎng)”的建成標志著我國量子保密通信基礎(chǔ)研究的成果，已經(jīng)開始向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。
        蕪湖“量子政務網(wǎng)”的建成是科技部、基金委和中國科學院等長期支持的結(jié)果，標志著從長期堅持不懈的基礎(chǔ)研究中誕生出來的這項新技術(shù)，已經(jīng)成為量子技術(shù)新產(chǎn)業(yè)的生長點。