郭邦紅，胡 敏，毛 睿，陳國良，3

1)深圳大學(xué)計算機與軟件學(xué)院，廣東深圳 518060；2)華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院，廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室，廣東廣州 510631；3)南京郵電大學(xué)高性能計算與大數(shù)據(jù)處理研究所，江蘇南京 210003

量子保密通信與量子計算是當前國際量子物理和信息科學(xué)的研究熱點．世界各國都在戰(zhàn)略部署量子保密通信與量子計算基礎(chǔ)研究，中國也已將新一代量子通信與網(wǎng)絡(luò)、量子科學(xué)、腦科學(xué)和人工智能等作為前沿科學(xué)領(lǐng)域布局．自BENNETT和BRASSARD提出BB84協(xié)議以來[1]，基于量子密鑰分發(fā)(quantum key distribution, QKD)的量子保密通信技術(shù)得到了迅速的發(fā)展．量子保密通信與量子計算作為戰(zhàn)略性前沿技術(shù)，關(guān)系國家安全，正在推動全球經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，對軍事、經(jīng)濟、金融和社會等各領(lǐng)域安全帶來深遠影響．

1 量子保密通信與量子計算關(guān)鍵技術(shù)

當前，世界正在興起新一輪“量子革命”，量子信息與量子計算技術(shù)正處在加速突破關(guān)鍵技術(shù)的新階段，特別是高性能QKD終端正逐步在系統(tǒng)集成、工程化和網(wǎng)絡(luò)化等關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，量子保密通信與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)融合、量子計算機多位(bit)操作和運算已顯現(xiàn)出量子信息和量子網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景．

1.1 高性能QKD終端技術(shù)

1989年，BENNETT C H和BRASSARD G基于BB84協(xié)議實現(xiàn)了世界首個QKD原理實驗，遺憾的是速率只有10 bit/s，傳輸距離僅32 cm．經(jīng)過30多年的發(fā)展，QKD在傳輸距離、速率和成碼率等關(guān)鍵技術(shù)方面屢獲突破，基于光纖點對點無中繼QKD的安全傳輸距離已超250 km[2-3]，而基于糾纏光子對QKD的傳輸距離也已達到300 km[4-5]．這類QKD解決了長距離傳輸?shù)募夹g(shù)難題，但工程化精密控制弱脈沖和弱信號探測技術(shù)難度大．測量設(shè)備無關(guān)QKD(measurement device independent QKD, MDI QKD)的傳輸距離超過400 km，具有兼顧安全性和實用性的技術(shù)優(yōu)勢[6]．2020年，王向斌團隊報道了雙場量子密鑰分發(fā)(twin-field QKD, TF-QKD)實驗，其安全傳輸距離達509 km[7]．

量子安全直接通信(quantum secure direct communication, QSDC)是一種不同于QKD的量子通信形式，是量子保密通信的一個重要分支．QSDC采用低密度奇偶校驗碼直接傳送秘密信息，可在高噪聲和高損耗的實際環(huán)境中工作，實驗中重復(fù)頻率為1 MHz，安全通信速率達50 bit/s．盡管可有效發(fā)送文本、較小容量的圖像和聲音文件，但其傳輸距離僅為1.5 km，且采用了超導(dǎo)探測器[8]．

QKD系統(tǒng)的極弱量子信號易受自發(fā)輻射噪聲和探測器暗計數(shù)、光纖損耗及QKD編解碼器件等引入噪聲的影響．盡管目前通過采用相位調(diào)制補償、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(Faraday rotator mirror, FM)等方法后有所改善，但是犧牲了部分內(nèi)稟光子[9]．相位偏振聯(lián)合調(diào)制QKD系統(tǒng)內(nèi)稟光子利用率由0.5提到2.0，提高了3倍[10]．

因此，開發(fā)高性能QKD系統(tǒng)，解決能夠高碼率且穩(wěn)定運行等技術(shù)難題是實現(xiàn)QKD網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要任務(wù)，而獲得安全傳輸距離為數(shù)百km量級密鑰的QKD終端設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)接入的基礎(chǔ)條件，集成化、小型化QKD更是未來產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢．

1.2 量子計算與量子計算機

1965年，MOORE提出當價格不變時，集成電路(integrated circuit, IC)上可容納的元器件的數(shù)目，每隔大約18～24個月便會增加1倍，性能也將提升1倍，即著名的摩爾定律．理論研究表明，由于經(jīng)典計算是不可逆的，因此，每刪除1 bit信息至少要耗散kTln 2的能量(k為玻爾茲曼常數(shù)，T為該bit所在環(huán)境的開爾文溫度)，從而導(dǎo)致IC存在理論極限問題．基于量子力學(xué)原理的量子位(qubit)邏輯門計算相比傳統(tǒng)經(jīng)典位計算具有極大的優(yōu)勢．量子力學(xué)的幺正演化結(jié)構(gòu)邏輯門，即量子計算幺正演化，具有可逆操作和可逆計算的特點，有望解決當前IC能量耗散導(dǎo)致的極限問題．

量子計算的主要目的之一是在特定領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)經(jīng)典計算無法實現(xiàn)的功能．1982年，F(xiàn)EYNMAN R提出量子計算概念，他認為微觀世界的本質(zhì)是量子的，可建造一個根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律運行的計算機，用于模擬量子世界的部分行為．量子計算需突破物理和化學(xué)基礎(chǔ)新材料等關(guān)鍵技術(shù)，解決量子芯片、量子位操控、量子計算機物理實現(xiàn)及軟件體系等難題．

1.2.1 量子芯片器件

量子計算與量子通信是《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》的重要戰(zhàn)略方向，規(guī)劃強調(diào)要推進量子通信城域和城際網(wǎng)絡(luò)等重大應(yīng)用．QKD集成化、小型化和抗噪聲是量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和城域、城際網(wǎng)絡(luò)規(guī)模應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題．

當前QKD系統(tǒng)采用分立器件，體積較大，光源弱脈沖的精密控制和探測實驗技術(shù)工程化難度大．以集成光學(xué)為技術(shù)方案的量子器件集成和量子信息處理成為研究熱點．LIU等[11]提出一種波導(dǎo)集成量子器件，可實現(xiàn)保真度為0.93的軌道角動量轉(zhuǎn)換，通過控制入射光的相位高效靈活地調(diào)制軌道角動量(圖1)．MARTIN等[12]提出766 nm光源和集成量子耦合光路的量子芯片(圖2)，利用光通信集成技術(shù)實現(xiàn)量子中繼芯片．

圖1 集成波導(dǎo)渦旋光束發(fā)生器的示意圖與波導(dǎo)中的全息光柵原理[11]Fig.1 Schematic illustration of the proposed vortex beam generator on the integrated waveguide and the principle of the holographic grating on waveguide[11]

圖2 表面PPLN波導(dǎo)源量子中繼芯片實驗示意圖[12]Fig.2 Schematic experiment of surface PPLN waveguide source quantum relay chip[12]

2017年，SPRING等[13]在二氧化硅芯片上集成了5個宣布式單光子源陣列，其二階自相關(guān)函數(shù)g2(0)=0.03±0.01， 重復(fù)頻率約為200 kHz．這表明可將多個宣布式單光子源集成在單個芯片上，以提高重復(fù)頻率．BELHASSEN等[14]基于III-V族材料，將宣布式單光子源和分束器集成在單一芯片上，并進行Hanbury-Brown and Twiss(HBT)實驗，獲得二階自相關(guān)函數(shù)g2(0)=0.10±0.02， 但是重復(fù)頻率只有200 Hz．2016年，WANG等[15]在集成光子芯片系統(tǒng)中實現(xiàn)了路徑-偏振轉(zhuǎn)換，6個量子態(tài)的平均保真度為98.82±0.73%．2017年，SIBSON等[16]制作了基于InP的QKD發(fā)射端和基于氮氧化硅的QKD接收端，經(jīng)過20 km光纖傳輸后實現(xiàn)了1.05%的低量子誤碼率．2019年，潘建偉等[17]提出超低損耗光路的三維集成Boson采樣方案(圖3)，在60模干涉儀中進行了20個單光子的實驗．

圖3 三維集成Boson采樣芯片[17]Fig.3 Three-dimensional integrated Boson sampling chip

在無源器件方面，可在硅基材料上設(shè)計集成微米尺度的耦合器、分束器、相位調(diào)制器、微環(huán)濾波器、光延時線和陣列波導(dǎo)光柵等分立元器件．郭邦紅等在互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)的集成光學(xué)平臺上研究了多種納米波導(dǎo)，如基于純電解質(zhì)波導(dǎo)的超寬帶波片[18]和能夠?qū)崿F(xiàn)單向軌道角動量轉(zhuǎn)換的集成波片[19]．YANG等[20]研究了硅基多模波導(dǎo)集成的馬赫-曾德爾(Mach-Zehnde, M-Z)干涉儀，其消光比大于20 dB，30 nm波長范圍內(nèi)波長相對于溫度的穩(wěn)定性為±10 pm/K．

在利用超導(dǎo)量子芯片實現(xiàn)量子計算方面，因為加工技術(shù)成熟，易于擴展，且集成度高，具有較好的應(yīng)用前景，目前主要是基于約瑟夫結(jié)實現(xiàn)超導(dǎo)量子位．加拿大D-wave公司2 000量子位的量子退火機、美國Google公司72量子位的量子計算機以及IBM公司的量子計算機是該方案的典型代表．

采用經(jīng)典(非可逆)計算方式的芯片在計算時一定伴隨著能量的耗散，隨著芯片集成度的急劇增加，熱效應(yīng)將更加顯著，最終導(dǎo)致芯片損壞，于是IC將達到極限尺寸．另外，如果尺度繼續(xù)減小就到了量子力學(xué)的適用范圍，量子芯片器件必將成為未來量子科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)．

1.2.2 量子位操控

已有多種方法可實現(xiàn)量子位操控，如核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)、光量子、囚禁離子和超導(dǎo)等．經(jīng)過50年的發(fā)展，核磁共振對耦合二能級量子系統(tǒng)的動力學(xué)控制達到了新的水平．目前，基于核磁共振技術(shù)的量子控制和計算可精確地控制達12個量子位的系統(tǒng)[21]，如龍桂魯教授團隊開發(fā)的基于核磁共振體系的量子計算云平臺[22]．

光量子計算方案基于光子自由度(偏振、空間和軌道角動量等)，采用線性光學(xué)元件作為量子門，通過單光子探測器實現(xiàn)量子測量．WANG等[23]利用6個光子的3個自由度實現(xiàn)了18個量子位的操控．TANG等[24]制作了49×49個節(jié)點的光子芯片，并在該芯片上實現(xiàn)了兩維的量子行走．

1995年CIRAC等[25]提出，可以使用激光將離子冷卻并囚禁于真空中，則該離子就可作為量子位進行基本的量子邏輯門操作．因為同時滿足量子計算5個基本準則和量子網(wǎng)絡(luò)2個準則[26]，囚禁離子被認為是最有希望實現(xiàn)大規(guī)模量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)的物理系統(tǒng)．美國IonQ公司和馬里蘭大學(xué)團隊[27]基于13個171Yb+構(gòu)成的囚禁離子系統(tǒng)，實現(xiàn)了11個量子位全連接的可編程量子計算機，宣稱采用相同裝置，成功加載了超過150個離子，并在高達79個量子位中進行選擇性的單量子位旋轉(zhuǎn)．清華大學(xué)金奇奐研究組將囚禁離子系統(tǒng)的退相干時間延長到了10 min[28]，并實現(xiàn)了任意量子位之間的全局糾纏門[29]．

在超導(dǎo)量子位操控方面，加拿大D-wave公司2011年發(fā)布了具有128個量子位的量子計算機，2017年發(fā)布的D-wave 2000Q系統(tǒng)具有2 000個量子位[30]．但D-wave公司的量子計算機是基于量子隧穿效應(yīng)實現(xiàn)的量子退火(quantum annealing)，與通用量子計算機差異較大．Google和IBM公司在超導(dǎo)量子位操控方面目前處于領(lǐng)先地位，二者已經(jīng)分別可以控制72 bit和50 bit[31]．在中國，本源量子計算科技有限責(zé)任公司發(fā)布了超導(dǎo)量子計算云平臺[32]，浙江大學(xué)等多家單位合作實現(xiàn)了20個量子位操控[33]．

由于量子疊加原理，n量子位可同時處于2n種狀態(tài)(一個量子位的任意狀態(tài)可用圖4中布洛赫球上的點來表示)，當量子計算結(jié)束時，通過量子測量，這2n種狀態(tài)將坍塌到其中一種確定的狀態(tài)，如此完成并行計算．

圖4 布洛赫球中量子比特Fig.4 Qubits in a Bloch sphere

1.2.3 量子計算與量子計算機

1996年，SHOR[34]提出一個能在多項式時間內(nèi)求解給定整數(shù)質(zhì)因子的量子算法．GROVER[35]提出GROVER量子搜索算法．表1是幾種典型的量子算法的實驗實現(xiàn)[36]．

量子糾纏疊加原理使量子位比經(jīng)典位能處理更多信息，這就是量子計算機相對于經(jīng)典計算機的優(yōu)勢．量子計算機的1次操作同時完成了對2n個數(shù)據(jù)的操作，相當于經(jīng)典計算機完成了對2n個數(shù)據(jù)的并行處理．基于量子力學(xué)原理的量子計算機是下一代計算革命的關(guān)鍵所在．

表1 幾種量子算法解決 “最大”問題的實驗實現(xiàn)[36]

LARSEN等[43]通過實驗產(chǎn)生了3×104個糾纏模式的二維簇態(tài)(圖5)，可用于連續(xù)變量的量子計算．IBM和Google公司在量子計算機研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位．2017年4月，Google公司開發(fā)出9個量子位的量子計算芯片；5月IBM公司推出17個量子位的量子計算芯片；10月17日Intel公司發(fā)布了17個量子位的超導(dǎo)測試芯片；同日，IBM公司宣布量子計算已經(jīng)突破了49個量子位的障礙．

圖5 超規(guī)模糾纏二維集群糾纏點量子計算[43]Fig.5 Quantum calculation of entangled points in a two-dimensional entangled cluster of hyperscale[43]

2017年，潘建偉研究團隊宣布通過將時間編碼的單光子序列輸入電控可編程多模網(wǎng)絡(luò)后，實現(xiàn)了可用于多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計算模擬機[44]．2019年，該團隊開發(fā)了高效、純、不可分辨的單光子固態(tài)光源和超低損耗的三維集成光路．他們在60模干涉儀中注入20個純單光子(圖6)，在輸出段探測到了14個光子，并且采樣的希爾伯特空間高達3.7×1014，該實驗為通過玻色子取樣實現(xiàn)NISQ體系提供了一條新的途徑[17]．

圖6 60模干涉儀中進行了20個單光子實驗[17]Fig.6 20 single-photon experiments performed in a 60-mode interferometer[17]

2018年，PRESKILL[31]提出有噪聲中規(guī)模量子(noisy intermediate-scale quantum, NISQ)概念，認為擁有50～100量子位和高保真量子門(quantum gate)的計算機，便可稱為NISQ計算機．NISQ器件將是探索多體量子物理的有用工具，雖然也可能有其他的應(yīng)用，但100量子位的計算機不會馬上改變世界．

加拿大D-wave One系統(tǒng)利用了量子隧穿效應(yīng)實現(xiàn)了量子退火，可將組合優(yōu)化問題求解的非確定性多項式(non-deterministic polynomial, NP)難題在多項式時間解決，預(yù)計可以減少密碼攻擊所需搜索空間的量級．

2019年8月，浙江大學(xué)等單位組成的團隊開發(fā)出了具有20個超導(dǎo)量子位的量子芯片，并用于產(chǎn)生18個量子位的GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)態(tài)和20個量子位的薛定諤貓態(tài)[33]．同年10月，ARUTE等[45]報道開發(fā)出了“Sycamore”量子芯片(圖7)，包含54個transmon量子位的2維陣列，其中每個量子位能夠可調(diào)地被耦合到矩形晶格中4個最近相鄰的量子位，因此，用于計算的希爾伯特空間維度為253≈9×1015．實際上有1個量子位無法正常工作，因此能夠用于計算的只有53個量子位和86個耦合器．ARUTE等聲稱經(jīng)典計算機需要約10 000年才能完成的量子電路取樣任務(wù)采用該量子處理器僅需要200 s．但是該工作后續(xù)引發(fā)了較多爭議，最終并未獲得學(xué)術(shù)界的認可．11月，李傳峰等[46]將機器學(xué)習(xí)應(yīng)用于量子力學(xué)基礎(chǔ)研究，首次實現(xiàn)了基于機器學(xué)習(xí)算法的多重非經(jīng)典關(guān)聯(lián)．

圖7 Sycamore量子芯片[45]Fig.7 Sycamore quantum chip[45]

過去10年中，量子計算已經(jīng)從基礎(chǔ)研究逐步邁入工程化和商用化進程．顯然，量子計算仍將繼續(xù)取得進展，但是很難預(yù)測其發(fā)展路徑和速度．也許量子計算會緩慢而漸進地發(fā)展，又或者會突然出現(xiàn)意想不到的創(chuàng)新進而取得快速進步．

2 量子保密通信與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)融合

QKD系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是量子保密通信的產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標．1994年，TOWNSEND等[47]提出多用戶量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，采用光功率分配器構(gòu)建了基于無源光網(wǎng)絡(luò)(passive optical network, PON)的量子網(wǎng)絡(luò)．2003年，BRASSARD等[48]提出采用波分復(fù)用(wavelength division multiplexing, WDM)技術(shù)的基于光纖的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)．近年來還報道了其他幾類QKD的量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如美國國防部聯(lián)合多家研究機構(gòu)提出的美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)量子網(wǎng)絡(luò)[49]，這是世界首建的軍事應(yīng)用類量子網(wǎng)絡(luò)．當前對量子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用仍褒貶不一，有研究構(gòu)建且驗證了基于QKD接入的量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性，推動了針對量子通信網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展，為量子通信網(wǎng)絡(luò)提供了理論依據(jù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的參考，如歐盟資助的Secure communication based on quantum cryptography (SECOQC)網(wǎng)[50]，劉頌豪團隊基于教育骨干網(wǎng)建設(shè)的天河區(qū)-番禺區(qū)量子網(wǎng)，郭光燦研究小組的北京網(wǎng)通的商用光纖骨干網(wǎng)絡(luò)和蕪湖量子政務(wù)網(wǎng)[51-52]，潘建偉團隊的量子通信網(wǎng)絡(luò)[53-54]，以及日本和歐洲等9個單位在日本建設(shè)的Tokyo QKD量子網(wǎng)絡(luò)[55]．2017年中國科學(xué)院宣布開通京滬量子試驗干線網(wǎng)絡(luò)．次年，滬杭試驗干線開通測試．2019年，劉頌豪團隊聯(lián)合啟動廣佛肇QKD示范量子網(wǎng)絡(luò)(圖8)．該量子網(wǎng)絡(luò)由廣州城域量子網(wǎng)絡(luò)、佛山節(jié)點及肇慶城域量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，成為中國華南地區(qū)首批量子安全通信網(wǎng)絡(luò)，理論規(guī)劃光纖星地一體6個閉環(huán)網(wǎng)，成碼速率不低于16 kbit/s，并將在政務(wù)、金融或其他行業(yè)進行示范應(yīng)用，是粵港澳大灣區(qū)量子通信首條示范干線，其成果對建設(shè)粵港澳大灣區(qū)量子通信環(huán)網(wǎng)具有重要意義[56]．

圖8 廣佛肇量子干線網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Guang-fo-zhao quantum backbone network

當前量子網(wǎng)絡(luò)的光接入網(wǎng)絡(luò)方案都是單獨或同時采取基于可信節(jié)點的中繼方案和基于光開關(guān)的透明光鏈路．前者可任意擴展密鑰分發(fā)的距離，但必須保證所有節(jié)點的物理安全；后者可在非可信的網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)多用戶之間的密鑰分發(fā)．

SU等[57]研究表明，量子信號傳輸距離和密鑰生成率都受到光路損耗和噪聲干擾的限制．量子經(jīng)典融合網(wǎng)絡(luò)須解決量子信號與經(jīng)典信號如何共存共纖傳輸技術(shù)問題，亟需發(fā)展網(wǎng)絡(luò)接入的基礎(chǔ)理論．另外，機載QKD終端技術(shù)、空天一體化通信是未來天地一體化通信的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和國際量子網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)挑戰(zhàn)．

結(jié) 語

基于量子力學(xué)原理的量子計算機是下一代計算革命的關(guān)鍵，未來量子計算機的應(yīng)用必將極大地推動量子網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；瘧?yīng)用．當前量子計算機需要突破更科學(xué)的物理實現(xiàn)機制和更高的量子位控制等關(guān)鍵技術(shù)．盡管世界各國的科學(xué)家們已經(jīng)在量子計算、量子調(diào)控和量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等領(lǐng)域取得了極大成就，但在實現(xiàn)通用量子計算機、有效的量子算法、長距離QKD穩(wěn)定傳輸、多自由度的調(diào)制、量子網(wǎng)絡(luò)干線、機載量子糾纏密鑰分發(fā)、天地一體化通信和洲際通信等方面依然面臨極大的挑戰(zhàn)．