量子信息技術引領新革命

孫媛媛

量子科技是新一代信息技術，具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的極高安全特性，在未來國家科技競爭、新興產業(yè)培育和經濟建設等領域有著重要的戰(zhàn)略意義和廣闊前景。

今年政府工作報告將“大力推進現(xiàn)代化產業(yè)體系建設，加快發(fā)展新質生產力”列為2024年政府工作首要任務，推動新質生產力加快成長壯大的重要性不言而喻。

值得注意的是，“量子技術”作為新質生產力中未來產業(yè)的重要組成部分，在政府工作報告中被兩次提及，政府工作報告在2023年工作回顧中提到“量子技術等前沿領域創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)”，未來將“開辟量子技術、生命科學等新賽道”。2024年量子技術產業(yè)創(chuàng)新有望繼續(xù)獲得政策支持。

在量子信息技術的研發(fā)過程中，有哪些關鍵的技術難題需要解決？量子通信技術的發(fā)展將如何影響人們的日常生活和工作方式？對此，《小康》雜志、中國小康網專訪了安徽問天量子科技股份有限公司首席科學家、中國科學技術大學教授韓正甫。他于1989年開始從事量子密碼技術研究，是我國最早從事量子信息技術的研究者之一，承擔2018—2023年科技部重點研發(fā)項目“高性能量子密鑰分發(fā)關鍵技術研究”等重大項目。曾獲得安徽省自然科學獎一等獎、教育部技術發(fā)明獎一等獎。曾擔任國家“863”計劃量子信息主題專家組副組長，目前擔任中國密碼學會量子密碼專業(yè)委員會主任。

量子通信從神話邁向實用化

《小康》-中國小康網：請您簡要介紹一下量子信息技術的概念和發(fā)展歷程。

韓正甫：嚴格意義上說，量子信息技術是用量子態(tài)對信息進行編碼的一種信息處理的方法，或者叫用量子態(tài)代表信息進行處理的一種技術。

我們現(xiàn)在用的信息技術，絕大部分編碼采用電壓或者光強，發(fā)一個高電壓脈沖代表“1”，再發(fā)一個低電壓脈沖代表“0”，通信上用一道強光代表“1”，再用弱光代表“0”——這就是當前的信息技術手段。但是到量子層面，我們用“量子態(tài)”來代表信息，量子態(tài)也有各種各樣的形式，可以用其中的某一種代表“1”，另外一種代表“0”。計算機處理器處理信息時，傳統(tǒng)電子計算機就是按電壓“0”“1”來處理的，計算過程就是讓邏輯門在高電壓和低電壓之間按照設定的規(guī)律來回跳，這是電子信息技術的基本程序，它必須符合經典物理學，即電磁學的基本規(guī)則。

用量子態(tài)來代表信息，由于量子態(tài)不是經典的物理量，所以滿足它的規(guī)律不再是電磁學的規(guī)律，而是量子力學規(guī)律。在處理量子信息時，由于代表信息的是量子態(tài)，與電壓不一樣，因此具有跟傳統(tǒng)信息技術不一樣的優(yōu)點，當然也有一定的缺點。量子信息這么多年的研究就是把其優(yōu)點發(fā)揮出來，規(guī)避缺點。

從底層邏輯來看，量子信息網絡跟現(xiàn)在的電子信息網格不是一回事，在機器層面，完全不是一個概念。傳統(tǒng)的計算機、手機，嚴格意義上是沒有辦法運行量子信息的，必須重新做一套量子硬件，形成量子處理器，再裝上讓它工作的軟件，才能完整地做量子信息的處理和傳輸。

1984年，美國的查爾斯-貝內特和加拿大蒙特利爾大學的吉列-巴薩德共同提出了第一個也是最為著名的量子密鑰分發(fā)協(xié)議——BB84協(xié)議。量子密鑰分發(fā)利用單光子的不可分割性、未知量子態(tài)的不可復制性等微觀粒子特有的量子性質，從原理上保證了密鑰的不可竊聽，從而確保了信息傳送的安全性。BB84協(xié)議開創(chuàng)了量子信息行業(yè)用它進行密鑰的分發(fā)，并進而實現(xiàn)保密通信。

此外，我們可以用量子態(tài)編碼的新辦法開發(fā)跟現(xiàn)在的電子計算機完全不一樣的另一類計算機，它的優(yōu)勢在于能夠簡單地處理一些我們經常遇到的復雜問題。比如精確度更高的天氣預報，人與股票之間的關系，地震、雪崩預測等。在傳統(tǒng)電子計算機領域，這些都是很難解的復雜問題。但在量子計算機領域，這些問題相對來說沒那么難，它能夠把計算速度大大地加快。

我們還可以用量子技術去解決一些基本的測量問題。比如用它來定義長度，定義光強的大小，用它來直接測量電流的大小，而且測量精度上比傳統(tǒng)的辦法要精確得多。所以，需要做高精度測量的地方，就可以用量子技術進行測量，這叫量子測量。當然還有量子成像和量子光刻等技術，目前不是主流。未來有沒有一些新的方向呢？肯定是有的，但是目前沒有進入主流的研究方向。

1984年到1990年，量子信息逐漸受到國際學術界的重視；2000年以后確認量子技術能夠從原理上做傳統(tǒng)計算和傳統(tǒng)通信做不到的事；2010年以后變成國際熱點，量子信息技術研究就此轟轟烈烈開展起來。

《小康》-中國小康網：目前，量子通信領域的應用場景是怎樣的？

韓正甫：從發(fā)展歷程上來說，量子信息行業(yè)已存在近40年，但到目前為止，除了量子通信能夠有部分的應用之外，其他方面還有待于進入真實的應用場景。

目前的應用場景還不算多，比如量子通信，其核心是量子密鑰分發(fā)，解決一些傳統(tǒng)密碼學解決不了的問題。量子計算機概念出來以后，理論上已經證明在用的密碼技術不安全，量子計算機一旦出來就可以破解它。未來，我們需要全面進入量子層面，用量子密碼來對付量子計算機。在量子層面，加密和破密相互之間能達到同一水平，因而安全更有保障了。

目前，量子密碼技術已經在多個行業(yè)得到應用，比如海關和邊境檢查、金融行業(yè)；公安部門牽涉到千家萬戶的個人身份和隱私的信息需要保護，這也可以用量子密碼來解決。事實上，只要有通信和規(guī)?；瘮祿牡胤?，量子密碼技術都可以用到。在純量子信息處理方面，還得等量子計算機研發(fā)出來之后，才能用量子的辦法去處理。比如藥物的篩選和研發(fā)，可以用量子計算機先去做模擬或優(yōu)選，從而大大加快藥物研發(fā)的速度；在氣象行業(yè)，如果把量子計算機用起來，就可以更準確地預報天氣。

目前量子密碼已經投入使用，2018年我們的產品就在某個邊境檢查站得到應用。其他領域陸續(xù)也有一些應用，這里用到的技術是量子密鑰分發(fā)或者稱為量子通信。對電網來說，大電流的準確測量非常重要，起碼跟收費有關?，F(xiàn)在用量子測量，精度上更準，工程上也更方便，目前還處在預演階段。

《小康》-中國小康網：目前全球范圍內量子計算機的研發(fā)進展如何？

韓正甫：目前量子計算機最大的困難在于硬件怎么實現(xiàn)，因為量子態(tài)特別脆弱，容易受周邊環(huán)境的干擾，所以我們要把它孤立起來，孤立到一定程度還要控制它，才能做出量子計算機。最近十幾年，全球都在努力做這件事，但是目前還沒有一項技術能夠滿足理想的量子計算的需求。

例如：用離子來做量子計算機，目前體積太大、成本太高；近年超導量子計算非?；馃?，被認為是最可能做出第一臺量子計算機的技術。2023年年底，哈佛大學又給出另一套基于束縛原子的量子計算機，號稱能做出48個邏輯比特，這是目前其他技術無法達到的高度，但這種技術最終能走到哪里，我們拭目以待。另外，和傳統(tǒng)電子計算機相似的半導體量子計算機，雖然走得慢，但其可擴展性和制造工藝都非常成熟，能不能后來居上，還不好斷定。

量子計算機難度太大，期望短時間之內解決問題是不太現(xiàn)實的。

《小康》-中國小康網：量子通信相比于傳統(tǒng)的通信方式有何優(yōu)勢和局限性？

韓正甫：量子通信最大的好處是可以控制整個通信過程的安全性、或者說，我的信息有沒有被別人竊聽，有沒有泄露，我是知道的。目前最大的局限是如果在地面使用的話，必須要有光纖，利用電線來做量子通信目前還不行。在空中也只能直接傳光，收發(fā)兩端必須要能夠看得見，只能在直視距離下傳輸。所謂的量子衛(wèi)星，就是從衛(wèi)星上向地面?zhèn)饕唤M量子態(tài)實現(xiàn)量子通信，目前限制還比較大。

重塑后量子時代通信與數據安全

《小康》-中國小康網：2018年，中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室在環(huán)回差分相位量子密鑰分配（RRDPS）研究方面取得重要進展，您可以介紹一下嗎？

韓正甫：2018年前，量子密鑰分發(fā)協(xié)議里，如何去發(fā)現(xiàn)密鑰在傳輸過程中有沒有被人竊聽，要看從A傳到B或者從B傳到A的過程中間，敵方在竊聽信息時留下的痕跡——誤碼。通過檢測誤碼的大小，就能知道竊聽者可能竊聽到的信息量，我們可以用一些數學手段，將被敵方偷聽的信息剔除掉，從而留下安全信息，因此所有的量子密鑰分發(fā)都需要知道系統(tǒng)誤碼率到底有多大。而且誤碼率高，系統(tǒng)就不好用了。

RRDPS方案最大的不同是一定程度上不需要去檢測到底有多少誤碼，可以忍受更高的誤碼率。實際應用中，在干擾比較大的地方，無法區(qū)分誤碼是受干擾了還是真的被敵人竊聽了。所以，RRDPS協(xié)議的好處就是可以容忍很大的誤碼，在誤碼很大的時候還能夠得到安全的信息。2018年，我們從理論上完善了該協(xié)議的安全性證明，在實驗上實現(xiàn)了該方案，解決了一個難題，即如何用最少的設備，實現(xiàn)盡可能接近理想的RRDPS方案。

《小康》-中國小康網：問天量子的核心技術體系是怎樣的？

韓正甫：問天量子擁有點對點量子密碼通信技術、量子密碼通信組網技術、量子密碼通信核心器件等全系列技術，已經構建起具有自主知識產權的完整量子密碼通信核心技術體系。上個世紀90年代，我們已經在國際上站住腳，2000年到2010年期間，我們申請了一些技術專利，奠定了問天量子整個知識產權的基礎。所以，從安全性、完整性以及設備的可靠性來說，問天量子是國際上最好的廠家之一。

《小康》-中國小康網：2022年，您與合作者實現(xiàn)了833公里光纖量子密鑰分發(fā)，將安全傳輸距離世界紀錄提升了200余公里，向實現(xiàn)千公里陸基量子保密通信邁出重要一步。這項成果的意義，您可以介紹一下嗎？

韓正甫：量子密鑰分發(fā)或者叫量子通信，是受距離限制的。在一定技術條件下，它傳輸的距離是有極限的。此前，大約只能做兩三百公里，極限距離大約五百公里。在幅員遼闊的中國，這是個缺憾。比如在華北、華中、華東、華南地區(qū)，兩個城市之間的距離不會超過300公里，此前的量子通信距離夠用。但是，在大西北，像甘肅、青海、西藏、新疆一帶，兩個城市之間的距離可能有七八百公里，甚至上千公里。

2019年開始，我們花了三年左右的時間，把量子密鑰分發(fā)的極限距離一次性地提升到833公里。這個距離基本上可以解決我國絕大部分的城市與城市之間的通信問題，所以它的價值還是挺大的，而且這代表了當時的國際最高水平。

《小康》-中國小康網：目前量子通信技術面臨哪些挑戰(zhàn)和難題？如何解決這些問題？

韓正甫：目前面臨最大的難題，就是怎么把它跟現(xiàn)實的應用結合起來？從2015年開始到現(xiàn)在，我們花了五到十年左右的時間做用戶教育，廣大信息行業(yè)從業(yè)人員現(xiàn)在已經知道量子信息這個概念了，但是怎么用？還需要一些突破性的想法和思維。目前，我們對用戶需求的了解還沒那么深，還需要學習一些具體行業(yè)知識，比如醫(yī)療、金融等行業(yè)，他們有哪些特殊的需求，然后再思考如何把量子的優(yōu)勢發(fā)揮出來。一項新技術研發(fā)出來后，對于傳統(tǒng)行業(yè)會有沖擊，傳統(tǒng)行業(yè)必然會有抵觸情緒，這對新技術的推廣是個難題。

《小康》-中國小康網：在量子通信領域，國內外的研究進展有哪些差異？

韓正甫：宏觀意義上說，量子通信國內比歐美要領先3～5年左右。量子測量和量子計算總體上可能要落后5～10年左右，我不敢肯定自己的這個判斷是否準確。

量子科技 探索未來

《小康》-中國小康網：您對當前量子通信技術的商業(yè)化進程有何看法？

韓正甫：第一，客觀地說，整個行業(yè)有點亂?，F(xiàn)在從事這個行業(yè)的公司太多，有些是在趕熱潮進入這個賽道。

第二，量子通信技術怎么跟商業(yè)化完美結合，把它用起來，這是一個開放的問題。

第三，現(xiàn)在國家層面很重視，所以宣傳力度也比較大，這對行業(yè)來說是正面的推進。

第四，在應用場景方面，與傳統(tǒng)技術的競爭仍然處于弱勢。希望國家能夠加大推動力，提供應用場景?？偟膩碚f，量子通信技術已經進入到某些應用場景，解決了一些問題。量子技術行業(yè)確實在快速發(fā)展中。

《小康》-中國小康網：量子通信將帶領人類走向怎樣的未來？

韓正甫：未來10年到20年，量子通信可能會改變現(xiàn)在的信息安全模式。目前的信息安全領域比較混亂，那么多詐騙犯能實施他們的詐騙計劃，就是因為他能夠很容易拿到我們的信息。用了量子技術之后，我相信能解決其中的一部分問題。信息系統(tǒng)的理論安全有了，我們就可以集中精力去解決一些不太放心的問題，這對信息安全行業(yè)有促進作用。量子信息可以讓我們一步一步地實現(xiàn)理想的安全。

《小康》-中國小康網：量子通信技術的發(fā)展將如何影響人們的日常生活和工作方式？

韓正甫：從技術的角度來說，尤其是安全技術，我們不希望用戶有任何不適的感覺，最好的辦法就是把安全置于無形之中，讓你于無感中獲得安全。從這個角度來說，我們改變不了人類的生活，或者說我們根本不愿意改變人類的生活方式。

但是，從能夠逐漸保證安全的角度去看，大家在防備心理方面能夠放松一些。更遠的層次上，量子計算機有了，量子通信也有了，那么我們的生活方式會變成什么樣的狀態(tài)？不太容易想象，我給不出比較準確的預測。

《小康》-中國小康網：未來量子通信技術的發(fā)展方向是什么？

韓正甫：首先會在一些涉及較高秘密的場合用起來，目前，在商業(yè)領域的運用也在逐漸展開。未來5年是量子通信技術全面鋪開應用的階段，10年之后應能夠普及。

《小康》-中國小康網：請您分享一下對未來量子通信技術發(fā)展的展望和期待。

韓正甫：任何一項技術的發(fā)展都是如此，最早的技術可能指標最低，受限最多。目前，我們的技術已經能夠覆蓋幾乎所有的需求，但是肯定沒達到得心應手的狀態(tài)。

后續(xù)要奔著怎么能夠解決問題，以及怎么滿足現(xiàn)實需求的方向。我們所有的技術發(fā)展方向，一定是沿著滿足需求、實現(xiàn)信息安全的需求方向走。所以，獨立地從科研的角度去發(fā)展的技術，可能短時間之內會引發(fā)學術界的熱潮，但是不是市場需求的，要由市場來檢驗。

量子密碼技術幾乎在所有的信息相關行業(yè)里都需要，比如通信的過程、存儲的過程、處理的過程……至于怎么用？用得好不好？用戶體驗如何？從企業(yè)的角度來說，要解決的就是這一類問題。