量子科技解讀系列之一： 量子通信：距離我們最近的量子技術(shù)

薛山

關(guān)注力度空前，量子科技走上快車道

據(jù)新華社10月17 日?qǐng)?bào)道，中共中央政治局在10月16日就“量子科技研究和應(yīng)用前景”舉行了第二十四次集體學(xué)習(xí)。這是量子科技第一次在公開層面進(jìn)入到我國(guó)最高決策層的集體關(guān)注視野中。習(xí)近平在主持學(xué)習(xí)時(shí)發(fā)表了講話指出，近年來(lái)，量子科技發(fā)展突飛猛進(jìn)，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。加快發(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。安排這次集體學(xué)習(xí)，目的是了解世界量子科技發(fā)展態(tài)勢(shì)，分析我國(guó)量子科技發(fā)展形勢(shì)，更好推進(jìn)我國(guó)量子科技發(fā)展。

在十九大后，中央政治局已經(jīng)多次就前沿技術(shù)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了集體學(xué)習(xí)：2017年12月8日的第二次集體學(xué)習(xí)，主題是“實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”;2018年10月31日的第九次集體學(xué)習(xí)，主題是“人工智能發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)”;2019年10月24日的第十八次集體學(xué)習(xí)，主題是“區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)”……可明顯看到，這些集體學(xué)習(xí)的目的基本上都圍繞前沿科技和核心技術(shù)展開布局。

事實(shí)上在2016 年發(fā)布的《國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要》支持戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，就明確將量子通信作為重要發(fā)展方向;2017年，國(guó)家發(fā)展改革委組織實(shí)施了量子保密通信 “京滬干線” 技術(shù)驗(yàn)證及應(yīng)用示范項(xiàng)目;2019 年底，國(guó)家信息中心、國(guó)科量子、國(guó)家數(shù)據(jù)通信工程技術(shù)研究中心聯(lián)合組建了電子政務(wù)量子安全工程實(shí)驗(yàn)室……可見國(guó)家對(duì)量子科技的重視由來(lái)已久，走上高速發(fā)展的道路也是必然。

從國(guó)際角度來(lái)說(shuō)，美國(guó)、歐盟、德國(guó)都在兩年前公布了各自的量子科技發(fā)展規(guī)劃，日本也在半個(gè)月之前啟動(dòng)了量子人才培養(yǎng)項(xiàng)目，可見全世界基本上都已意識(shí)到了量子科技對(duì)新一輪科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性。

那么對(duì)于廣大老百姓來(lái)說(shuō)，“量子”的概念或許并不陌生，但它究竟是什么，或許很難三言兩語(yǔ)說(shuō)得清楚，因?yàn)樗旧砭托枰鄬?duì)較高的理論知識(shí)基礎(chǔ)才能理解，這也是我們推出“量子科技解讀”系列文章的目的：我們將在未來(lái)幾期的內(nèi)容中由淺入深地為大家講解量子科技基于什么物理原理、它能干什么、前景如何等等問(wèn)題。那么，今天的第一期，我們就先從大家可能最關(guān)心的問(wèn)題入手：距離我們最近的量子科技是什么？

量子通信最大的優(yōu)點(diǎn)就是絕對(duì)安全

“你變我也變”，量子通信要從量子糾纏說(shuō)起

長(zhǎng)距離量子密鑰加密成為現(xiàn)實(shí)

量子技術(shù)是基于量子力學(xué)原理，結(jié)合工程學(xué)中的控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)方法等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子系統(tǒng)有效控制。而目前來(lái)看，最快落地的項(xiàng)目就是量子通信，它利用量子態(tài)實(shí)現(xiàn)信息的編碼、傳輸、處理和解碼，特別是利用單光子態(tài)和糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)量子密鑰的分配，它背后的原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是兩個(gè)相互糾纏的電子，即便物理距離非常遠(yuǎn)也能保持糾纏狀態(tài)，只要你觀測(cè)到了其中一個(gè)電子的狀態(tài)，另一個(gè)電子也會(huì)瞬間產(chǎn)生相同的改變，利用這一性質(zhì)，量子通信便可以將一個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)，而不用傳送這個(gè)粒子本身，可以用來(lái)在遙遠(yuǎn)兩地的用戶間產(chǎn)生密鑰。長(zhǎng)期來(lái)看，量子通信產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，包括網(wǎng)絡(luò)信息安全、量子通信干線、量子城域網(wǎng)、金融、國(guó)防等方面，整體市場(chǎng)規(guī)模有望超過(guò)千億元。

相對(duì)目前的通信方式來(lái)說(shuō)，量子通信最大的優(yōu)點(diǎn)就是保密性強(qiáng)，因?yàn)楫?dāng)出現(xiàn)信息截獲的情況時(shí)，量子態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，這種變化會(huì)被立即發(fā)現(xiàn)，而且如果截獲者不知道密鑰也無(wú)法獲得所截獲的信息內(nèi)容，所以，量子信息不可分割、不可復(fù)制的特性決定了它是保障信息安全的“雙保險(xiǎn)”。

京滬干網(wǎng)與墨子號(hào)，千公里級(jí)量子加密成現(xiàn)實(shí)

下期將為大家解讀打破傳統(tǒng)0，1數(shù)字結(jié)構(gòu)的量子計(jì)算技術(shù)，圖為IBM 5bit量子處理器芯片

在實(shí)踐中，由于實(shí)驗(yàn)條件的種種不完美，安全傳輸?shù)木嚯x是有限的，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，安全傳輸距離只有10公里的量級(jí)，彼時(shí)的學(xué)術(shù)界曾經(jīng)認(rèn)為量子通信基本已經(jīng)到頭了，沒(méi)有太大前途。然而，2003至2005年期間，韓國(guó)和中國(guó)科學(xué)家提出了誘騙態(tài)協(xié)議，使得安全傳輸距離可以提高到百公里的量級(jí)。從此之后，量子密碼術(shù)蓬勃發(fā)展，而中國(guó)獲得了領(lǐng)先地位，大部分的新紀(jì)錄都是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的。然而幾百公里的范圍對(duì)于城市內(nèi)部的通信來(lái)說(shuō)是夠用了，合肥、蕪湖、北京、上海、濟(jì)南等地都建設(shè)了實(shí)驗(yàn)性的量子政務(wù)網(wǎng)。但城際、國(guó)際之間的通信還完全不夠，所以，2017年9月中國(guó)開通的全球首條量子保密通信干線——京滬干線就采用了通過(guò)32個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)“接力”轉(zhuǎn)發(fā)的方式，實(shí)現(xiàn)了連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥全長(zhǎng)2000余公里的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)。

但中繼節(jié)點(diǎn)的存在也有一個(gè)安全隱患：中繼節(jié)點(diǎn)的安全必須依靠人來(lái)保障，如果節(jié)點(diǎn)被劫持就會(huì)存在密鑰泄露的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，于2016年8月16日升空的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”就承擔(dān)了這樣的一項(xiàng)重要任務(wù)：不依賴可信中繼——讓衛(wèi)星作為糾纏源，只負(fù)責(zé)分發(fā)糾纏而不掌握任何密鑰信息，只要用戶間能檢測(cè)到糾纏，就可以產(chǎn)生安全的密鑰。

在這次實(shí)驗(yàn)中，研究人員在相隔1120公里的新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站設(shè)置了兩個(gè)地面站。每個(gè)站點(diǎn)都有專門為量子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的直徑為1.2米的地面望遠(yuǎn)鏡。為了提高量子密碼鏈路的效率，研究人員對(duì)地面接收光路和單光子探測(cè)器進(jìn)行了改進(jìn)，成功使鏈路收集效率提高了4倍。如此一來(lái)，不僅將量子密鑰分發(fā)的地面安全距離提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，還使其安全性達(dá)到了前所未有的水平，哪怕衛(wèi)星被別人控制了，密碼也是安全的。

編輯觀點(diǎn)

從2015年開始，量子科技就已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)重點(diǎn)支持的產(chǎn)業(yè)方向，量子通信更是頻繁出現(xiàn)在“十三五”規(guī)劃中，當(dāng)前組織集體學(xué)習(xí)量子科技并發(fā)表重要講話無(wú)疑也提升了“十四五”規(guī)劃將加碼量子科技的預(yù)期。在政策的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)量子科技領(lǐng)域的技術(shù)持續(xù)發(fā)展，屬于國(guó)際第一梯隊(duì)，尤其是量子通信相關(guān)技術(shù)處于世界一流水平。在量子計(jì)算領(lǐng)域，我國(guó)的起步雖然相對(duì)不算早，但發(fā)展速度很快，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)等高校近年來(lái)都在量子計(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，總體來(lái)說(shuō)前景很光明。

下期，我們將會(huì)為大家深入講解量子科技的另一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域：量子計(jì)算。這是一個(gè)相對(duì)更加前沿、影響面更廣的量子科技應(yīng)用點(diǎn)，我國(guó)在這一領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀如何，扮演了怎樣的角色？且聽下回分解！