照亮未來(lái)之光

近年來(lái)，量子信息技術(shù)已成為未來(lái)國(guó)家科技發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，世界科技強(qiáng)國(guó)都對(duì)其高度重視。近年來(lái)，歐美國(guó)家紛紛啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)量子科技戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃，大幅增加研發(fā)投入，同時(shí)開(kāi)展頂層規(guī)劃及研究應(yīng)用布局。此外，包括ETSI、IEEE、ITU-T等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛成立量子信息技術(shù)相關(guān)研究組和標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目并開(kāi)展工作。

2020年10月的時(shí)候，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，中共中央總書(shū)記習(xí)近平在主持學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，科技創(chuàng)新是其中一個(gè)關(guān)鍵變量。要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)。實(shí)際上，我國(guó)對(duì)量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用同樣高度重視，此前國(guó)務(wù)院發(fā)布多項(xiàng)文件，指導(dǎo)量子信息技術(shù)研究與應(yīng)用;科技部和中科院通過(guò)自然科學(xué)基金等形勢(shì)對(duì)量子信息科研給予支持等等。

當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，也是我國(guó)謀劃“十四五”布局的重要時(shí)期，中央領(lǐng)導(dǎo)集體學(xué)習(xí)量子科技釋放重要信號(hào)，“發(fā)展量子科技對(duì)促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展、保障國(guó)家安全具有非常重要的作用”，站在國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的高度來(lái)看，意味著量子科技技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入攻關(guān)期。所以，國(guó)家核心領(lǐng)導(dǎo)層對(duì)于量子產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)的關(guān)注，正是意味著我國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)入新階段。

量子通信的無(wú)限潛能

量子信息技術(shù)主要包括量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量三大領(lǐng)域。在量子通信領(lǐng)域，我國(guó)具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)，位居世界第一梯隊(duì)，已經(jīng)取得一批具有國(guó)際影響力的重大創(chuàng)新成果，并吸引了大量人才和資本進(jìn)場(chǎng)。當(dāng)前第二次量子科技革命的序幕已經(jīng)拉開(kāi)，各國(guó)正在競(jìng)相布局量子科技領(lǐng)域。從頂層設(shè)計(jì)、戰(zhàn)略投資再到人才培養(yǎng)等，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)資本都在加速進(jìn)行戰(zhàn)略部署。

從原理提出到現(xiàn)在，量子科技經(jīng)過(guò)了近30年的技術(shù)研發(fā)，它不僅是我們的國(guó)家戰(zhàn)略，實(shí)際上也是全球的高科技戰(zhàn)略。2018年12月，美國(guó)啟動(dòng)了為期十年的國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃，2020年又發(fā)布了美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想。與此同時(shí)，英國(guó)、歐盟，德國(guó)近幾年也都紛紛啟動(dòng)了相關(guān)的量子技術(shù)計(jì)劃。歐盟早在2016年就宣布10億歐元預(yù)算規(guī)模的“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”;德國(guó)計(jì)劃在2021年建成該國(guó)首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，并在5到10年后推動(dòng)相關(guān)新技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用;英國(guó)2014年設(shè)立“國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃”，每年投資2.7億英鎊用于建立量子通信、傳感、成像和計(jì)算四大研發(fā)中心;日本2013年就計(jì)劃未來(lái)10年投入400億日元研發(fā)量子信息技術(shù)。

量子科學(xué)家在研究中發(fā)展了量子調(diào)控技術(shù)，從而催生了量子信息技術(shù)。量子調(diào)控技術(shù)是什么樣子呢？比如拿一杯水讓你喝掉一口，就像一個(gè)經(jīng)典的技術(shù)，很簡(jiǎn)單。但是請(qǐng)你喝掉一個(gè)水分子，這在技術(shù)上變成非常困難的問(wèn)題，一旦你掌握了這種技術(shù)之后就可以做很多事情，就可以對(duì)量子狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控。目前這個(gè)技術(shù)有兩個(gè)典型應(yīng)用，一個(gè)叫做量子通訊，它可以提供一種原理上是無(wú)條件的安全的通訊方式，利用量子計(jì)算可以提供一種超快的算力。

量子通信主要分量子隱形傳態(tài)（QuantumTelep or t a t ion，簡(jiǎn)稱(chēng) QT）和量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，簡(jiǎn)稱(chēng) QKD）兩類(lèi)。QT基于通信雙方的光子糾纏對(duì)分發(fā)（信道建立）、貝爾態(tài)測(cè)量（信息調(diào)制）和幺正變換（信息解調(diào)）實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息直接傳輸，其中量子態(tài)信息解調(diào)需要借助傳統(tǒng)通信輔助才能完成。QKD通過(guò)對(duì)單光子或光場(chǎng)正則分量的量子態(tài)制備、傳輸和測(cè)量，首先在收發(fā)雙方間實(shí)現(xiàn)無(wú)法被竊聽(tīng)的安全密鑰共享，再與傳統(tǒng)加密技術(shù)相結(jié)合完成經(jīng)典信息加密和安全傳輸，基于QKD的保密通信稱(chēng)為量子保密通信。

其中，安全是一個(gè)重要話題，我們首先要清楚為什么要發(fā)展量子通信保密系統(tǒng)？在當(dāng)前波詭云譎的國(guó)際環(huán)境下，我國(guó)面臨的信息安全形勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜，在政務(wù)、金融、外交和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，提高信息安全保障能力的需求較為緊迫，對(duì)量子保密通信技術(shù)帶來(lái)的長(zhǎng)期信息安全保障能力有客觀需求和應(yīng)用前景。可以說(shuō)，量子通信方面，量子通信被看作信息安全傳輸?shù)摹氨Ｗo(hù)盾”，為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

近年來(lái)，我國(guó)在量子保密通信方面取得了突出的成績(jī)，2017年，中科大基于“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)星地之間QT傳輸;中科大及其產(chǎn)業(yè)公司開(kāi)展了“京滬干線”和國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一期工程等QKD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目等等。目前量子保密通信產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)有眾多參與企業(yè)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)A股上市企業(yè)就有39家公司擁有量子通信概念，還不包括眾多創(chuàng)業(yè)公司，量子通信產(chǎn)業(yè)鏈一片火熱。

同時(shí)，在量子計(jì)算方面，也是各國(guó)重點(diǎn)攻關(guān)發(fā)展的領(lǐng)域。量子計(jì)算的核心優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)高速并行計(jì)算，在特定算法上計(jì)算效率比經(jīng)典計(jì)算機(jī)要快一億倍。用專(zhuān)家的話說(shuō)，量子計(jì)算是“未來(lái)計(jì)算技術(shù)的心臟”。谷歌、微軟、英特爾等西方科技企業(yè)在量子計(jì)算領(lǐng)域擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，中國(guó)科技大學(xué)、清華大學(xué)等高校近年來(lái)在量子計(jì)算領(lǐng)域取得一些階段性成果。百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業(yè)也相繼出臺(tái)了量子計(jì)算研究計(jì)劃。整體上看，我國(guó)量子計(jì)算與發(fā)達(dá)國(guó)家處于同一水平線。雖然量子計(jì)算機(jī)距離大規(guī)模普及還有很長(zhǎng)的路要走，但可預(yù)見(jiàn)的前景非常廣

商業(yè)化是良性開(kāi)端

隨著量子通信技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段，并不斷開(kāi)展試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，進(jìn)一步提升其實(shí)用化和商用化水平成為科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈上下游關(guān)注和技術(shù)演進(jìn)的主要方向。有意思的是，量子力學(xué)在第一次量子革命當(dāng)中催生了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展過(guò)程，它自己已經(jīng)為解決這些問(wèn)題做好了技術(shù)的準(zhǔn)備。

從報(bào)道中可以看到，各地均在積極進(jìn)行量子產(chǎn)業(yè)布局，攻克相關(guān)難題。目前來(lái)看，量子通信將主要面向量子通信骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)等領(lǐng)域提供量子通信設(shè)備。同時(shí)為了滿足政府、金融、醫(yī)療、教育等等海量泛在應(yīng)用場(chǎng)景下的極致安全需求，提供量子通信解決方案及相關(guān)服務(wù)。

此外，前面提到的量子保密通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和市場(chǎng)化推廣，也需要自身技術(shù)成熟度、設(shè)備工程化、現(xiàn)實(shí)安全性和可靠水平的不斷提升，從而滿足規(guī)?；瘧?yīng)用部署和運(yùn)維管理等方面的條件和要求。同時(shí)將政策支持的優(yōu)勢(shì)真正轉(zhuǎn)化為核心技術(shù)和產(chǎn)品功能性能的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)工程化水平和解決方案性價(jià)比，是應(yīng)用發(fā)展演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)的關(guān)鍵所在。

那么量子技術(shù)走向?qū)嵱玫降仔枰嚅L(zhǎng)時(shí)間？業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示，在量子通訊方面，尤其是量子保密通訊已經(jīng)比較成熟了，我們可以非常方便地利用傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行量子密鑰的分發(fā)，實(shí)現(xiàn)城域的量子保密通訊，利用中繼可以實(shí)現(xiàn)城市間的量子通訊，來(lái)自衛(wèi)星遠(yuǎn)距離支持之下可以開(kāi)展廣域的量子通訊。這在過(guò)去20年中，我們國(guó)家的很多學(xué)者、團(tuán)隊(duì)都做了一些工作。按照目前的技術(shù)發(fā)展，大約最快三年之后，收發(fā)端就可以集成到傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)里面，它的大小大概就是手機(jī)大小。因?yàn)槠鸩捷^早，這些核心器件都已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。它的應(yīng)用也比較簡(jiǎn)單，就是在傳統(tǒng)光纖里面加一些輔助的設(shè)備，可以把密鑰送到千家萬(wàn)戶，如果不是絕密的內(nèi)容，也可以跟經(jīng)典的加密算法結(jié)合在一起進(jìn)行安全和效率雙兼顧的保密通訊，其穩(wěn)定性跟傳統(tǒng)的光通訊是一致的。

目前，中國(guó)在國(guó)際通信聯(lián)盟和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織里面都在牽頭進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的安全的要求和評(píng)估方法。

聊聊量子通話手機(jī)

前不久有媒體報(bào)道稱(chēng)，中國(guó)電信與國(guó)盾量子目前正在研發(fā)一個(gè)支持量子安全通話的手機(jī)項(xiàng)目，該項(xiàng)目將由雙方剛剛成立的合資公司，即中電信量子科技有限公司負(fù)責(zé)推進(jìn)，所研發(fā)的手機(jī)將面向民用市場(chǎng)，帶有量子通話功能，預(yù)計(jì)在今年年底或明年年初推出，從中國(guó)電信的渠道向消費(fèi)者分發(fā)。中國(guó)電信表示，該手機(jī)項(xiàng)目確在研發(fā)中，但更多細(xì)節(jié)還暫不確定。

本質(zhì)上講，它走的是量子密鑰資源移動(dòng)化使用的思路，將量子密鑰的移動(dòng)分發(fā)轉(zhuǎn)化為更加實(shí)際的密鑰資源的移動(dòng)使用，解決了從量子密鑰分發(fā)固定網(wǎng)絡(luò)到移動(dòng)終端的“最后一公里”問(wèn)題，手機(jī)只是量子密鑰資源移動(dòng)化使用的載體。

量子通話手機(jī)本質(zhì)上是個(gè)手機(jī)，不是時(shí)光機(jī)也不是傳送機(jī)，量子隱形傳態(tài)、量子計(jì)算這樣的能力就不要想了，它不會(huì)超出現(xiàn)在的手機(jī)能力范疇，它更不會(huì)顛覆5G。量子通話手機(jī)如果給它加個(gè)定語(yǔ)是更合適的，內(nèi)置量子密鑰分發(fā)功能的手機(jī)。它是兩個(gè)功能的疊加，手機(jī)通信功能與量子密鑰分發(fā)功能，它的難點(diǎn)并不是基礎(chǔ)理論而是工程技術(shù)創(chuàng)新。如何在規(guī)模商用的手機(jī)中，把量子保密的特性加載進(jìn)去，要解決一些手機(jī)本身的工程技術(shù)問(wèn)題。

換個(gè)角度理解，對(duì)于有安全要求的用戶，可以用U盾或者TF卡方式，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端用戶與應(yīng)用系統(tǒng)之間的身份認(rèn)證以及保密傳輸，提供身份認(rèn)證與安全通信保障。但以U盾為例，沒(méi)有幾個(gè)人愿意隨身攜帶，內(nèi)置是必然的。其實(shí)，三星推出過(guò)這樣的產(chǎn)品，Galaxy A Quanyum 5G量子智能手機(jī)已經(jīng)在韓國(guó)上市了。這款手機(jī)中搭載了QRNG（量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器），QRNG的使用可以提高手機(jī)的安全性。中電信量子科技應(yīng)該不會(huì)采用三星的技術(shù)思路，具體的實(shí)現(xiàn)方式還需要進(jìn)一步了解。

當(dāng)然，對(duì)于普通消費(fèi)者而言，短期內(nèi)沒(méi)有太大意義。從2G開(kāi)始，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)代際演進(jìn)中，安全性能在不斷增強(qiáng)，我們現(xiàn)在所用的4G/5G網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)本身的安全性已經(jīng)很高了。量子通信短期內(nèi)所面對(duì)的是追求絕對(duì)安全的市場(chǎng)和用戶，對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)還不是迫在眉睫的事。寧德時(shí)代在一份聲明中表示，該公司也計(jì)劃在高鎳化學(xué)、大電池和集成結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究和投資，并將它們視為使電動(dòng)汽車(chē)成為主流的關(guān)鍵因素，而這些都是特斯拉技術(shù)發(fā)展路線圖的一部分。

寫(xiě)在最后：

量子信息技術(shù)近年來(lái)一直是各國(guó)科學(xué)研究的熱點(diǎn)，其熱度甚至不亞于當(dāng)前最為火熱的人工智能和5G。此次最高層關(guān)于前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)放在量子技術(shù)上，表明量子領(lǐng)域發(fā)展即將進(jìn)入快車(chē)道并有望迎來(lái)政策方面更大的扶持力度;同時(shí)量子的戰(zhàn)略價(jià)值被認(rèn)可，有望引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命。

邁入2021 年，“十四五”時(shí)期即將到來(lái)，發(fā)揮好新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，發(fā)揮好資本市場(chǎng)助力科技創(chuàng)新發(fā)展的方向，引導(dǎo)資本積極主動(dòng)投入相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化孵化，量子科技有望進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，我國(guó)將有望在全球范圍內(nèi)引領(lǐng)量子科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展和國(guó)家安全作出巨大的貢獻(xiàn)。也就是說(shuō)，量子科技產(chǎn)業(yè)必然會(huì)成為“十四五”時(shí)期重要的科技賽道被重點(diǎn)關(guān)注，從頂層設(shè)計(jì)、前瞻布局，到政策支持體系，再到基礎(chǔ)研究突破和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，還有高水平人才隊(duì)伍的培養(yǎng)等方面，有望陸續(xù)迎來(lái)政策支持實(shí)質(zhì)性利好，也將吸引更多的金融資本和產(chǎn)業(yè)資本投入，共同做強(qiáng)量子科技產(chǎn)業(yè)。