近日，国际上首个量子密码通信网络由我国科学家郭光灿院士在北京测试运行成功。这是迄今为止国际公开报道的唯一无中转、可同时任意互通的量子密码通信网络，标志着量子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出了关键一步。2009年7月15日，就量子信息学领域的发展状况等问题，本刊记者在北京永兴花园饭店采访了中国科学院院士、中国科技大学教授郭光灿。
爱听岳飞故事的童年
郭光灿1942年出生在福建惠安一个贫苦渔民家庭。他在家中排行老三，上有两个哥哥。一家人靠父亲用小木船运货维持生计。1945年他只有三岁时，父亲被日本人抓去做苦工，不久客死海外。含辛茹苦的母亲一手抚养起三个孩子。勤劳的母亲虽然不识字，但在繁忙的家务之余，坚持给他们三兄弟讲岳飞精忠报国的故事，教育他们以后为国家出力。
闽南自古有着浓厚的读书传统，尽管家里十分贫寒，但母亲还是设法送他们进学校念书。母亲的豁达、坚忍、深明大义影响了他的一生。郭光灿说：“小时候听母亲那些故事后，我开始隐约认识到，人活着不应只为自己，心里还要有国家、有民族、有他人。”提起老母亲，他充满感激地说：“母亲很善良，也很有远见，她一直鼓励我们继续读书。我很感激我的母亲，她影响了我的一生。”
寻找和发现科学发展前沿的新生长点
后来，郭光灿以优异成绩考入著名的泉州五中，三年后被保送上高中。在高中，郭光灿两年就完成了三年的学业。1960年，郭光灿考进中国科技大学无线电电子学系，中科大的学术氛围深深感染了他。那时侯，严济慈、华罗庚等老一辈科学家都在为科大学生上课。科学家们严谨治学的风格和缜密的思维方式也给了他深刻的影响。
郭光灿院士说，最重要的是他始终有一种对科学的激情，他始终在寻找和发现科学发展前沿的新生长点，挖掘最有可能做出成果的突破口。
他在中国科技大学本科学的是无线电，毕业后他却“迷”上了当时热门的激光。于是郭光灿开始了科研方向的首次转变，从无线电系转到物理系，着手开展气体激光研究。那时候，国内大多数人都在研究氦—氖、氩离子、二氧化碳等“老三样”，但他就是要琢磨点“与众不同”：选择氮气作为自己的研究对象。1974年，他和同事成功研制出国内第一台氮分子激光器，并荣获当年全国科学大会奖。
文革结束后，国内激光学研究如火如荼，他又出人意料地去打造“钻石”了。1981年，郭光灿到加拿大多伦多大学做访问学者，发现“量子光学”在国际已经发展20年，而在国内仍是一片处女地。虽然与本专业相距甚远，但是他还是决定转向量子光学。为迎头赶上，郭光灿花了大量时间与精力去自学，甚至与研究生一起去听量子场论这样的理论物理基础课。那段时间，他每天都要学到深夜两点，几乎生活在被人遗忘的空间里，结果不久在光场非经典效应等方面做出重要成果。
然而，创新和转变的脚步并没有就此打住。郭光灿说：“如果一个学科已经发展成熟，一流科学家做出的往往是二流科学家的工作；如果一个学科处在萌芽初期，二流科学家则有可能做出一流科学家的成就。”上世纪90年代初期，量子信息研究在国际上刚刚起步，郭光灿敏锐地觉察到此领域“别有洞天”。
他认为，在量子信息学领域，只要选择有分量的课题深入研究，一定能出成果。于是郭光灿以量子密码学和量子编码两个方向为切入点，领导课题组进军量子信息研究领域。尤其是在量子编码克服消相干方面，利用原有的量子光学研究基础，该课题组发现了相干保持态，进而获得量子避错编码方面的一系列成果。后来又首先在国际上提出了量子概率克隆的方法，被国际学术界称为“段—郭概率克隆机”、“段—郭界限”。
郭光灿说：“科研不能只在传统领域‘炒剩饭’，必须根据学科发展和国家需求不断拓展新的科研领域，寻找新的生长点，求‘变’才能出新。”
量子信息学：平等的“起跑”机会
上世纪90年代，对于郭光灿来说，学术研究是寂寞的。当时，国内从事量子信息研究的寥寥无几。他日常性的工作就是科普，逢人就解释诸如“量子是什么”、“量子纠缠是什么”的“扫盲”工作。
“量子纠缠”是什么？郭光灿说，量子纠缠“就像一个母亲和她的女儿，分别居住在中国和美国。在美国的女儿怀孕了，当她生孩子的一瞬间，哪怕远隔千山万水，不用电话通知，远在中国的母亲就顺理成章地变成了外婆。”这是郭光灿做科普报告时最常打的一个比喻。“纠缠是一种非常奇怪的性质，两个粒子无论分开多远，对其中一个粒子操纵或者作用，必将影响另一个粒子的态。”
1996年，量子计算机的先驱之一Bennett在《自然》杂志上声称，量子计算机将进入工程时代。这就意味着，传统密码学可能遭到彻底颠覆，信息科学会因为新技术的出现而重新“洗牌”。当时，在西方各国，相关研究如火如荼，方兴未艾。而国内对此领域持续跟踪的，掰着指头数，也就数中国科技大学郭光灿了。 
郭光灿说，比赛最怕输在起跑线上。“以激光和微电子为代表的现代技术，我们是远远落后的。”早在上世纪60年代，日本就看到半导体取代电子管的趋势，大力发展微电子基础研究，而当时的中国还在积极引进苏联的电子管厂。
1998年，在著名科学家王大珩的推动下，召开了一次量子信息学的香山会议。时任科技部部长的朱丽兰看了与会名单，深感参与的单位太少。国内鲜有人知的量子信息学，大有“养在深闺未人识”的感觉。 研究经费少，学术争议大，郭光灿的研究工作开展得异常艰难。“当时真有点孤家寡人的感觉”，他回忆说。 由于很多人对此领域完全不了解，郭光灿几度申请项目，都遭到了否定。他经常一人背着笨重的电脑往返于全国各地，向专家和科技部门宣传讲解量子研究的重要意义。
带来量子因特网的曙光
郭光灿院士介绍，今年3月，由他领导的中科院量子信息重点实验室，利用自主创新的量子路由器，在北京网通公司商用通信网络上完成了四用户量子密码通信网络的测试运行，并确保了网络通信的安全。这是迄今为止国际公开报道的唯一无中转、可同时、任意互通的量子密码通信网络，标志着量子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出了关键一步。
数年前，美国科学家曾提出了构建量子因特网的设想，但有关研究进展艰难。有关专家表示，这次实验的成功，也为量子因特网的发展奠定了基础，使量子因特网的问世露出了“一线曙光”。
网络时代，网络信息安全一直是困扰人们的一大难题。据专家介绍，现代密码技术是建立在算法复杂度基础上的。随着分布式计算和量子计算机的发展，现代密码在原理上都可以被破译，通信安全隐患十分突出。而根据量子力学基本原理，量子信息无法复制，任何截获或测量操作都会改变量子的状态，都会被通信者发现。因此，量子密码在原理上是“无法破译”、“绝对安全”的。
但要将量子密码应用于网络通信，国际学术界面临两大难题。其一是量子密码系统的稳定性问题，即要经受得住商用通信网络环境下的各种干扰。2004年，郭光灿领导的研究小组在北京和天津之间成功实现了125公里光纤的点对点的量子密钥分配，解决了量子密码系统的稳定性问题。
另外一个难题，是在量子信息不能测量，测量就会被破坏的前提下，网络在传输中如何自动找到特定的路径，将信息完整准确地传送给对方。为解决这个难题，郭光灿领导的研究小组巧妙利用波分复用技术，设计出国际上第一个量子路由器，解决了量子信息自动寻址难题，使量子网络中任意一个用户都能自由选定网内任意用户与其实现量子密码通信。
不久前，郭光灿课题组在北京网通公司的商用光纤线路上进行多用户测试。用户之间最短距离约32公里，最长约42.6公里。测试系统成功演示了一对三和任意两点互通的量子密钥分配，并在对原始密钥进行纠错和提纯基础上，完成了加密的多媒体通信实验。
量子密码通信网络是当前国际上热门的研究课题之一。欧洲、北美和日本投入了大量的人力物力进行研究，并提出了多种网络拓扑结构和寻址方式。有关专家认为，由郭光灿等人完成的量子密码通信网络在商用光纤上可以长期稳定运行，性能优于国际上现有的其他量子密码网络方案；同时，在目前的技术条件下，它能扩建成拥有数百个用户的量子密码通信网络。“量子密码通信网络测试运行成功，意味着量子密码通信在一个城市进行商用的关键技术得到解决。”郭光灿表示，“如果一个城市有建立量子密码通信网络的需要，相关的技术应该可以在数年内解决。”
2009年5月18日上午，中国科大在芜湖市广播电视中心举行的成果发布会上宣布，郭光灿院士在芜湖市建成了世界上第一个“量子政务网”，并投入试运行。量子政务网采用了我国具有全部知识产权的单向量子保密通信方案和设备，以及量子保密通信网络核心组网技术，标志着我国量子保密通信技术已经正式步入应用轨道。
首期建成的芜湖“量子政务网”连接了市科技局、招商局、经贸委、总工会和质监局等市政机关以及芜湖市电信大楼的八个用户，设置了四个全通主网节点和三个子网用户节点，以及一个用于攻击检测的节点。该网络融合了国际上现有的三种组网技术，首次设计出具有多层次、旨在满足不同用户需求的多功能量子保密通信网络，通过该网络可以完成任意两点之间的绝对保密的通信过程，不仅可以实现保密声音、保密文件和保密动态图象的绝对安全通信，还能满足通信量巨大的视频保密会议和大量公文保密传输的需求。
芜湖“量子政务网”所使用的核心器件和设备，包括最关键的光电调制芯片，全部为我国自主研发或与国内单位联合研制，整个网络已经实现国产化。这一成果使我国具有全部知识产权的单向量子保密通信方案和设备，以及量子保密通信网络核心组网技术真正在实际工作中得以应用。芜湖“量子政务网”的建成标志着我国量子保密通信基础研究的成果，已经开始向产业化转化。
芜湖“量子政务网”的建成是科技部、基金委和中国科学院等长期支持的结果，标志着从长期坚持不懈的基础研究中诞生出来的这项新技术，已经成为量子技术新产业的生长点。