量子科技，下一個(gè)時(shí)代？

向治霖

自從去年9月，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”以后，量子科技的發(fā)展明顯變快了。

競(jìng)逐的國(guó)家選手基本就位。只看今年，美國(guó)在5月發(fā)布了“量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想”，布局通用量子計(jì)算機(jī)的未來(lái)。德國(guó)方面，在6月擬投了20億歐元，扶持一系列科技行業(yè)，其中，就有對(duì)量子技術(shù)的實(shí)用化研究。到了7月，韓國(guó)三星聯(lián)手SK電訊，推出了全球第一款5G量子通信手機(jī)。

中國(guó)也沒落后。政策上，國(guó)家支持的力度不小，在今年10月，中央政治局組織了集體學(xué)習(xí)，內(nèi)容是關(guān)于量子科技的研究和應(yīng)用前景。

實(shí)用化方面，尤其在“量子通信”的應(yīng)用上，了解該領(lǐng)域的人都知道，中國(guó)一直在領(lǐng)先地位。

大國(guó)都在布局量子科技，這不是巧合。從技術(shù)的發(fā)展上看，未來(lái)可能有重大突破的，就是量子科技的領(lǐng)域。有人提出，它可能是下一個(gè)“工業(yè)革命”，這意味著 ，它將帶來(lái)一個(gè)新的時(shí)代。

不過(guò)，形成鮮明對(duì)比的是，普通人對(duì)它似乎不感興趣，量子科技遭遇了“官熱民冷”。追究起來(lái)，量子科技偉則偉矣，但是太“高冷”了，不少人還沒明白，它到底是個(gè)啥。

翻車了？

讓人心酸又好笑的是，量子科技的實(shí)用化，它給人的第一印象似乎很壞。

早在11月12日，國(guó)盾量子聯(lián)手中國(guó)電信，推出了一款“民用”的國(guó)產(chǎn)量子通信手機(jī)，據(jù)媒體報(bào)道，它或?qū)⒃诮衲甑酌髂瓿跎鲜?。然而，這則消息淹沒于網(wǎng)絡(luò)，并沒有激起什么水花。

到了11月24日，這款手機(jī)正式亮相了，但它招致的，更多是質(zhì)疑與嘲笑。

在當(dāng)天的烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)之光博覽會(huì)，官媒“俠客島”的記者介紹這部手機(jī)，在微博起了標(biāo)題《量子安全手機(jī)，你見過(guò)嗎？》。熱度第一的評(píng)論卻是，“咳，量子鞋墊我都見過(guò)”。

其它的評(píng)論也附和說(shuō)，“不稀奇，很多保健品都是量子的”，“一聽到量子，就知道是老騙子了”。更有人篤定地說(shuō)，“但凡沾上量子兩個(gè)字的，沒有不是騙子的”。

這也難怪網(wǎng)友過(guò)激?！傲孔硬▌?dòng)閱讀”的魔性場(chǎng)面，至今還令人印象深刻，“量子+”保健品的搭配，更是層出不窮久矣?！孔恿W(xué)本身就難懂，多年來(lái)的噱頭營(yíng)銷，讓消費(fèi)者對(duì)它敬而遠(yuǎn)之。

“別問(wèn)，問(wèn)就是量子力學(xué)”，“別問(wèn)，問(wèn)就是平行世界”，以及另一個(gè)流行語(yǔ)“遇事不決，量子力學(xué)”，調(diào)侃的都是同一類事實(shí)：太多浮夸或者虛假的商業(yè)行為，將好好的理論，變成了玄學(xué)。

但是這一次，來(lái)的是真家伙。

量子通信手機(jī)，并不只是中國(guó)有。今年5月，韓國(guó)的三星聯(lián)合SK電訊，發(fā)布了量子通信手機(jī)Galaxy A Quantum，半年內(nèi)的銷量據(jù)說(shuō)有30萬(wàn)臺(tái)。

同樣是“制造商+運(yùn)營(yíng)商”的搭配，國(guó)盾量子和中國(guó)電信推出的這部，叫國(guó)盾安全手機(jī)（A2021H），目前公開的機(jī)型是由中興手機(jī)改造而來(lái)。

中國(guó)電信自不必說(shuō)。國(guó)盾量子，全名“科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司”，發(fā)源于中科大、在科創(chuàng)板有“量子第一股”稱號(hào)，是一家量子科技公司。事實(shí)上，早在2018年，國(guó)盾量子就推出全球首款量子通信手機(jī)，但它以政企用戶為主。

解決了信任問(wèn)題，用戶們?nèi)孕枇私?，“量子通信手機(jī)”究竟是什么？

如果仔細(xì)留意，會(huì)發(fā)現(xiàn)這款手機(jī)“改名”了。最早推出時(shí)，媒體稱它“量子通信手機(jī)”，但在官網(wǎng)和博覽會(huì)亮相時(shí)，它又叫“量子安全手機(jī)”。

用詞的差異，有偷梁換柱的嫌疑，但是，這不是企業(yè)的“鍋”。

如果顧名思義，“量子通信”應(yīng)該是指，利用量子承載和傳輸信息，但“量子通信手機(jī)”還做不到?，F(xiàn)在的它，只用到了量子加密技術(shù)。

也就是說(shuō)，用戶拿它打電話時(shí)，使用的仍然是經(jīng)典通信，但通話的內(nèi)容多了一層“量子密碼”。所以，量子安全手機(jī)的說(shuō)法更準(zhǔn)確。下文將區(qū)分“量子通信”和“量子加密通信”，而兩者的混淆，是因?yàn)樽钤缤度肷逃脮r(shí)，輿論命名的失誤。

“半成品”

如果是叫“量子安全手機(jī)”，它的特點(diǎn)也就明顯了，安全，“無(wú)條件的安全”。意思是說(shuō)，使用它收發(fā)的信息，無(wú)論誰(shuí)也不能破解。

因?yàn)椤傲孔蛹用堋钡膶?shí)現(xiàn)，是依據(jù)量子的物理特性決定的。

而量子的特性，就是“玄學(xué)”的一部分了。最大的原因是，量子級(jí)別的微觀世界里，許多現(xiàn)象違背生活的常識(shí)。其次，對(duì)這些現(xiàn)象的解釋，現(xiàn)在的知識(shí)還很初級(jí)，很多時(shí)候“知其然，不知其所以然”。

“別問(wèn)，問(wèn)就是量子力學(xué)”，“別問(wèn)，問(wèn)就是平行世界”，以及另一個(gè)流行語(yǔ)“遇事不決，量子力學(xué)”，調(diào)侃的都是同一類事實(shí)：太多浮夸或者虛假的商業(yè)行為，將好好的理論，變成了玄學(xué)。

但“知其然”也是很夠用的，量子有三個(gè)經(jīng)典的特性，它們都和“量子通信”有關(guān)。

一是疊加態(tài)。薛定諤的貓，依然是最經(jīng)典的比喻，假設(shè)盒子中有一只貓，那么在現(xiàn)實(shí)生活中，我們打開這個(gè)盒子，就可以知道這只貓是死是活。但如果這只貓具有量子特性，我們?cè)诖蜷_盒子時(shí)，它有可能是活的，有可能是死的。盒子沒有打開前呢？這只貓?zhí)幵谒琅c活的兩種狀態(tài)。這就是疊加態(tài)。

二是糾纏性。假設(shè)有兩只貓，它們是糾纏態(tài)的一對(duì)量子，那么，無(wú)論它們相隔多遠(yuǎn)，在我們打開其中一只貓的盒子時(shí)，發(fā)現(xiàn)它是活的，另一只貓也一定是活的（或死的）。也就是說(shuō)，我們確定了一只貓的狀態(tài)，就能確定另一只貓的狀態(tài)，無(wú)論這兩只貓相隔多遠(yuǎn)。

三是量子不可克隆原理。既死又活的一只貓，在盒子打開的那刻，它的狀態(tài)確定了。那就意味著，我們無(wú)法在觀測(cè)過(guò)后，克隆出原先狀態(tài)的另一只貓。

量子的這些奇妙特點(diǎn)，讓它成為絕佳的加密工具。

信息學(xué)的鼻祖香農(nóng)提出，有一種加密方法，可以確保無(wú)法破解。它要具備三個(gè)條件：一是密碼的字符串隨機(jī)生成。二是密碼與明文一樣長(zhǎng)，甚至更長(zhǎng)，明文就是要保護(hù)的信息。三是“一次一密”，每一次加密都換新的密碼。

但要知道，密碼是牢不可破了，可如果接收方也無(wú)法解密，那就沒有意義。因此，要將解密的辦法（密鑰）發(fā)給對(duì)方，還要保證過(guò)程的安全。這一點(diǎn)，量子加密通信實(shí)現(xiàn)了。

如何實(shí)現(xiàn)的？利用光子的不同偏振態(tài)進(jìn)行編碼。在通信成功時(shí)，雙方產(chǎn)生相同的一串隨機(jī)數(shù)（密鑰）。接著，用密鑰加密明文，雙方就可以進(jìn)行加密通話。

為什么是“無(wú)條件安全”？在這里，量子的特性起了作用。由于傳輸時(shí)的光子是疊加態(tài)的，那么，即便它被盜取，也不能形成密鑰?！I取無(wú)用。

另外，由于量子的不可克隆原理，竊聽者無(wú)法造出相同狀態(tài)的一批光子，也就不能“貍貓換太子”誘騙密碼。當(dāng)然，要盜取發(fā)送的全部光子，本身就是不可能的。

量子的特性決定，這種密鑰分發(fā)的技術(shù)不會(huì)被破解。但這尚屬理論的范疇，實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了多少，是另一回事。落到用戶手里的技術(shù)有多少，更是另一回事。

第一步

即將上市的量子安全手機(jī)，野心不小，但目標(biāo)似乎定得不高。中國(guó)電信相關(guān)人士接受媒體采訪時(shí)說(shuō)，計(jì)劃在未來(lái)5年內(nèi)，量子加密通信的用戶增加到100萬(wàn)左右。

才100萬(wàn)？比起中國(guó)的手機(jī)用戶數(shù)量，幾乎可以忽略不計(jì)。

其實(shí)，這也是不得已，量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，畢竟剛剛開始。截至目前，公開報(bào)道的量子通信網(wǎng)絡(luò)，只有2017年建成的“京滬干線”，以及一顆2016年發(fā)射的量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”。

硬件雖然少，但在當(dāng)時(shí)看來(lái)，初步建成了“天—地”一體化通信網(wǎng)絡(luò)。對(duì)繼續(xù)研究和改進(jìn)技術(shù)來(lái)說(shuō)，或許是夠用了。據(jù)“中科院之聲”2017年的一篇文章介紹，“京滬干線”全線路密鑰率大于20kbps，可以滿足上萬(wàn)用戶的密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)需求。

但現(xiàn)在，量子加密通信要投入民用，“基礎(chǔ)設(shè)施”的不足，想必會(huì)是很大的掣肘。所以，理論的歸理論，目前能對(duì)用戶端實(shí)現(xiàn)的，在技術(shù)上有所“減配”。

據(jù)《經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)》報(bào)道，量子密鑰的分發(fā)，一方面是通過(guò)建設(shè)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣域的分發(fā)，另一方面，借助基于國(guó)產(chǎn)密碼芯片和國(guó)密算法的量子安全sim卡，完成對(duì)密鑰在手機(jī)里的植入。后一種情況，就屬于減配版量子加密通信。

因此，量子科技實(shí)用化邁出的這一步，很難有樂觀的預(yù)期。首先，目前的經(jīng)典通信也有很強(qiáng)的加密技術(shù)，對(duì)于“無(wú)條件安全”，有多少用戶是“剛需”呢？

更重要的是，對(duì)普通人而言，這項(xiàng)技術(shù)吸引力很小。第一，普通人首先要面對(duì)，它從聽起來(lái)酷炫的“量子通信”，降級(jí)為“量子加密通信”。第二，技術(shù)層面上，現(xiàn)在還沒有實(shí)現(xiàn)“量子中繼”，要借助經(jīng)典通信的中繼站，就不是實(shí)際的“無(wú)條件安全”。第三，量子加密通信的基礎(chǔ)設(shè)施還很少。第四，技術(shù)在手機(jī)端的進(jìn)一步“減配”。

如此看來(lái)，五年內(nèi)爭(zhēng)取到100萬(wàn)用戶，這個(gè)目標(biāo)雖然小，但是卻是務(wù)實(shí)的。

量子安全手機(jī)在此刻出現(xiàn)，更容易讓人感受到的，是它的象征意義：量子科技，從此開始走入尋常生活。

在路上

或許可以換種說(shuō)法，量子安全手機(jī)不是“當(dāng)下”的產(chǎn)品，它更像是一款面向未來(lái)需求的手機(jī)。

尤其是在去年9月，谷歌實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)后，“無(wú)條件的安全”通信，其必要性更明顯了。這是因?yàn)?，量子霸?quán)一旦實(shí)用化，其強(qiáng)大的算力可能破解現(xiàn)在的加密技術(shù)（只是可能性，現(xiàn)在學(xué)界亦有爭(zhēng)議）。

量子安全手機(jī)在此刻出現(xiàn)，更容易讓人感受到的，是它的象征意義：量子科技，從此開始走入尋常生活。

量子霸權(quán)也叫量子優(yōu)勢(shì)，屬于“量子計(jì)算”領(lǐng)域。它的意思是，在一些特定的算法上，量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)有碾壓式的優(yōu)勢(shì)。

優(yōu)勢(shì)有多大？谷歌在去年宣布時(shí)說(shuō)，在解決一個(gè)算法時(shí)，目前最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要計(jì)算10000年，而他們的53位量子比特的計(jì)算機(jī)，只需要3分20秒。

其中的差距，來(lái)自量子比特與經(jīng)典比特的不同。因?yàn)榱孔拥奶匦裕粋€(gè)量子比特可以同時(shí)是1或0，而經(jīng)典比特只能是1或0。這就導(dǎo)致，n個(gè)經(jīng)典比特，只能承載一個(gè)信息，而n個(gè)量子比特，可以承載2的n次方個(gè)信息。

因?yàn)檫@個(gè)特性，量子在計(jì)算與存儲(chǔ)領(lǐng)域有巨大潛力。目前知道的是，在理論上，因式分解兩個(gè)大素?cái)?shù)的乘積值，是量子計(jì)算所擅長(zhǎng)的。

然而，這個(gè)理論上可破解的算法，正是目前最流行的經(jīng)典加密技術(shù)“RSA加密”。那就是說(shuō)，如果現(xiàn)在有一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)，那么對(duì)它而言，網(wǎng)絡(luò)上大部分的真實(shí)信息都在“裸奔”。

RSA算法被量子計(jì)算破解，現(xiàn)在還只是在理論上的，大可不必感到焦慮。而且，要制造有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)，它要經(jīng)過(guò)的路，不見得比量子通信短。這些，都只是正在發(fā)展的未來(lái)技術(shù)。

但很明顯，未雨綢繆是必要的。

量子科技應(yīng)用還有很多，除了加密技術(shù)和量子計(jì)算，最具有科幻感的就是“量子隱形傳態(tài)”了，它是基于量子糾纏的一個(gè)應(yīng)用設(shè)想。

如果量子糾纏存在，那么對(duì)糾纏態(tài)的一對(duì)量子，無(wú)論它們距離多遠(yuǎn)，都可以把a(bǔ)處的狀態(tài)，“傳送”到b處。

是否有些熟悉？對(duì)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，它才應(yīng)該叫量子通信技術(shù)。但在目前，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)用化。

未來(lái)正在路上，但這條路要走多久，尚未可知。11月18日，在一個(gè)高峰論壇上，中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉說(shuō)，量子加密通信的大規(guī)模商用，以及可用的量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，據(jù)他預(yù)計(jì)，大概要有20～30年時(shí)間。

量子科技的發(fā)展比想象中快。對(duì)今天的人來(lái)說(shuō)，完全無(wú)法想象的事物，正在加速變成現(xiàn)實(shí)。

但這也不奇怪了。畢竟，如果我們回到30年前，在上世紀(jì)90年代的中國(guó)，人們使用的還是1G網(wǎng)絡(luò)的“大哥大”呢。