近一三年里，隨著有關(guān)量子科技的報(bào)導(dǎo)越來(lái)越多地出現(xiàn)在眼前，我們也許再也不能僅僅逗留在“遇事不決，量子熱學(xué)”的認(rèn)知水平了。
我們曉得，量子科技主要包括量子估算和量子通訊兩大技術(shù)領(lǐng)域。與處在起步階段的量子估算不同，量子通訊技術(shù)已經(jīng)完成了理論的驗(yàn)證，早已步入快速產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的階段。
近來(lái)，我國(guó)在量子通訊領(lǐng)域又取得了一些關(guān)鍵進(jìn)展。1月初，中國(guó)科技學(xué)院宣布成功實(shí)現(xiàn)跨越4600公里的星地量子秘鑰分發(fā)，這標(biāo)志著我們基本建立起天地一體化廣域量子通訊網(wǎng)，也證明了廣域量子保密通訊技術(shù)初步具備大規(guī)模應(yīng)用的成熟條件。
緊接著，上海學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)成功通過(guò)兩架無(wú)人機(jī)空中編組，首次使用光學(xué)中繼，在兩個(gè)相距1千米的地面站之間實(shí)現(xiàn)糾纏光子分發(fā)，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)聯(lián)通量子組網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)的成功意味著我們?cè)诹孔油ㄓ嵕W(wǎng)路上有了更多樣的應(yīng)用場(chǎng)景選擇。
（以無(wú)人機(jī)為聯(lián)通節(jié)點(diǎn)的光中繼糾纏分布實(shí)驗(yàn)示意）
其實(shí)，無(wú)論是廣域量子通訊網(wǎng)的建成，還是聯(lián)通量子網(wǎng)路的成功實(shí)驗(yàn)，對(duì)于好多人而言，只會(huì)不明覺(jué)厲。為此，假如想厘清楚以上這種量子通訊技術(shù)究竟有何“含金量”，又對(duì)我國(guó)的量子通訊產(chǎn)業(yè)有著如何的影響，依舊值得我們?nèi)プ鲆环?xì)致評(píng)析。不過(guò)，在回答這兩個(gè)問(wèn)題之前，首先須要先對(duì)“量子通訊”本身做一下簡(jiǎn)單介紹。
量子通訊：將信息加密進(jìn)行究竟
信息通訊技術(shù)在明天的重要性早已毋庸置疑。5G，作為新一代聯(lián)通通訊技術(shù)，正在廣泛應(yīng)用在我們的日常生活中，相比之下，量子通訊還是一個(gè)特別時(shí)尚但又讓普通人不明所以的存在。
量子通訊究竟是如何回事，對(duì)我們大眾的生活有什么影響呢？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子通訊屬于量子信息科學(xué)的一大分支。量子信息科學(xué)，顧名思義是由量子熱學(xué)和信息科學(xué)組成的交叉學(xué)科。根據(jù)信息科學(xué)中“計(jì)算”和“通信”兩大主題，量子信息科學(xué)的研究也分為“量子估算”和“量子通訊”。量子通訊就是借助量子力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行信息傳遞的新型通訊方法。
第一個(gè)問(wèn)題，信息通訊技術(shù)為何須要跟量子熱學(xué)“糾纏”在一起呢？
對(duì)于信息通訊，非常是遠(yuǎn)距離信息通訊來(lái)說(shuō)，仍然要解決的兩大困局。
第一大困局是信息傳輸?shù)男剩▊鬏斅屎痛_切率，這種由一系列不斷變遷的技術(shù)來(lái)保證，從最初的烽火臺(tái)、到旗語(yǔ)，再到電報(bào)的摩爾斯電碼、有線電話、光纜通訊、移動(dòng)網(wǎng)路等等。這部份我們都很熟悉，不再贅言。
第二個(gè)困局就是信息傳輸?shù)陌踩裕簿褪切畔⒓用芡ㄓ嵉膯?wèn)題。信息加密通訊的重要性，普通人可能沒(méi)有切身體會(huì)。第二次世界大戰(zhàn)期間，正是因?yàn)槿毡菊平饬嗣儡娛褂玫囊环N堪稱難以破譯的恩尼格碼密碼機(jī)，因而大大扭轉(zhuǎn)了二戰(zhàn)亞洲戰(zhàn)場(chǎng)的戰(zhàn)局，加速了英國(guó)的滅亡。現(xiàn)在，加密通信更是成為了互聯(lián)網(wǎng)、金融、軍事等幾乎所有須要信息通訊的場(chǎng)景的基石。
在量子通訊出現(xiàn)曾經(jīng)，傳統(tǒng)的加密通訊只有兩種形式：
一種信息加密方法是“對(duì)稱密碼機(jī)制”。傳輸雙方把握同一套秘鑰，傳輸方用秘鑰將明文轉(zhuǎn)換成密文，接收方用它將密文變換回原文。雙方共享的這一套秘鑰或則說(shuō)密碼本，假如第三方不把握密碼本，理論上基本永遠(yuǎn)沒(méi)法破譯這套加密信息。并且秘鑰會(huì)須要一個(gè)信使來(lái)進(jìn)行傳遞，在抗日時(shí)期，地下工作者的一個(gè)工作就是充當(dāng)信使來(lái)傳遞密碼本的。這兒會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)安全問(wèn)題，一個(gè)就是信使倒戈，一個(gè)是密碼本被查獲，只要第三方把握了密碼本，這么加密信息就等于是“明文”信息了。
為了克服這些問(wèn)題，物理家發(fā)明了第二種信息加密形式——“非對(duì)稱密碼機(jī)制”，或則說(shuō)“公鑰密碼機(jī)制”。只有接收方手里有一套“加密鎖”（私鑰）和“解密鎖匙”（公鑰），接收方可以把打開(kāi)的“加密鎖”公布下來(lái)，任何人，包括發(fā)送方都可以公開(kāi)獲取。發(fā)送方只須要把信息用“加密鎖”鎖上去發(fā)送給接收方，接收方再用自己的“解密鎖匙”打開(kāi)“加密鎖”，才能獲得信息。
“加密鎖”，實(shí)際上只是一道“因數(shù)分解”的物理題，是由三位名子首字母為R、S、A的物理家發(fā)明的私鑰密碼機(jī)制，如今也是世界上最常用的密碼體系。這套密碼機(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于，制造密碼很簡(jiǎn)單，破解密碼很困難。第三方竊密者想要破解一個(gè)私鑰密碼，用全世界最快的計(jì)算機(jī)去估算，少則須要數(shù)萬(wàn)年，多則幾十億年。這就讓破解密碼成為一個(gè)事實(shí)上不可能的事情。
然而在理論上，只要估算速率夠快，RSA密碼被破解就是分分鐘的事情了，而剛好量子計(jì)算機(jī)可以通過(guò)量子比特的特點(diǎn)將破解質(zhì)數(shù)分解的速率提高多個(gè)數(shù)目級(jí)，就能輕易打破質(zhì)數(shù)分解設(shè)置的估算困局。例如，分解一個(gè)300位和5000位的質(zhì)數(shù)，量子算法可以將原先須要的15萬(wàn)年降低到不足一秒，從原先的50億年降低到2分鐘。盡管如今量子計(jì)算機(jī)還處在中級(jí)階段，只能處理六位數(shù)的質(zhì)數(shù)分解，并且隨著量子估算研究的升級(jí)，傳統(tǒng)私鑰密碼系統(tǒng)將遲早被淘汰。
由于量子估算的出現(xiàn)，傳統(tǒng)加密通訊弄成“小透明”，然而量子保密通訊技術(shù)（也叫量子秘鑰分發(fā)）的出現(xiàn)，再一次讓“完美加密”得以實(shí)現(xiàn)。為此，量子保密通訊成為當(dāng)前量子通訊技術(shù)的主要應(yīng)用，也是當(dāng)前可以邁向產(chǎn)業(yè)落地的應(yīng)用。
你看，“上帝關(guān)上一扇門(mén)，也會(huì)給你打開(kāi)另一扇門(mén)”，并且打開(kāi)的門(mén)還比關(guān)上的門(mén)要早一步開(kāi)啟。
所謂量子保密通訊，就是一種借助量子的偏振光特點(diǎn)來(lái)完成信息加密的一種激光通訊。這么，量子保密通訊具體是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？
（量子偏振光的疊加原理）
我們曉得量子熱學(xué)的特點(diǎn)有三點(diǎn)：疊加、測(cè)量和糾纏。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“疊加”保證了一個(gè)量子比特在偏振光中可以有無(wú)限個(gè)狀態(tài)，而非數(shù)字比特只有0和1兩個(gè)狀態(tài)。疊加原理既能拿來(lái)做量子估算，也能拿來(lái)做量子加密。“測(cè)量”保證了量子的真正隨機(jī)性（），量子熱學(xué)的“測(cè)量”讓“眼見(jiàn)為實(shí)”失去意義，每一次檢測(cè)就會(huì)形成隨機(jī)的結(jié)果，但是檢測(cè)本身也會(huì)改變結(jié)果，用在加密上就降低了傳輸錯(cuò)誤率，因而一旦有第三方“竊聽(tīng)”，通訊雙方能夠立即發(fā)覺(jué)。
“糾纏”就更厲害了，量子糾纏可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)粒子的超遠(yuǎn)距離的通訊同步，不過(guò)對(duì)于量子加密來(lái)說(shuō)，就有點(diǎn)像“火箭送快件”一樣大材小用。為此，如今量子通訊，只要充分借助量子疊加和檢測(cè)的手段，單個(gè)粒子能夠形成相同的隨機(jī)數(shù)，完成“量子秘鑰分發(fā)”（key，QKD）。
最初的單粒子加密合同是由本內(nèi)特（）和波拉薩德（）在1984年提出的，因而也被稱為“BB84合同”，而當(dāng)前最先進(jìn)的引誘態(tài)合同可以看作是8848合同的改進(jìn)版。
具體的量子加密的形式不再贅言，我們可以直接和傳統(tǒng)加密的療效做下對(duì)比：
傳統(tǒng)對(duì)稱密碼機(jī)制可以做到：（1）密文被查獲但不會(huì)被破譯；（2）僅靠估算難以破解，而傳統(tǒng)非對(duì)稱密碼機(jī)制，可以做到；（3）無(wú)需傳遞秘鑰的信使；（4）在每次使用前直接形成秘鑰，平常不須要保存秘鑰，但須要依賴物理估算的復(fù)雜性做到“密文的不可破譯”。因而，這兩種方式都難以做到“完美加密”。
而量子保密通訊除了能同時(shí)做到以上四點(diǎn)，具備了估算意義上的“完美加密”性量子通訊 優(yōu)點(diǎn)，但是由于量子的不可克隆性，在量子秘鑰分發(fā)過(guò)程中，量子訊號(hào)一旦受到監(jiān)聽(tīng)，通訊雙方立即能夠發(fā)覺(jué)，因而及時(shí)中止通訊或更換信道通訊，甚至還可以借助一些光學(xué)技術(shù)，確定監(jiān)聽(tīng)者的位置。這一點(diǎn)是傳統(tǒng)加密技術(shù)根本難以做到的。為此，量子加密通訊又被稱為（估算上）“絕對(duì)安全”的加密技術(shù)。
其實(shí)，以上只是從理論上證明了量子秘鑰分發(fā)的可用性，但量子秘鑰分發(fā)在一開(kāi)始，可以實(shí)現(xiàn)的通訊距離十分短，根本難以實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。為此，想要讓量子通訊走入現(xiàn)實(shí)世界，就必須建造出可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)牧孔油ㄓ嵪到y(tǒng)。
從30分米到4600公里，
從單線聯(lián)接到“天地空一體”
1988年，IBM實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)意義的量子保密通訊。當(dāng)時(shí)，研究者通過(guò)上下偏振光和左右偏振光呈現(xiàn)的量子態(tài)來(lái)分別代表兩套測(cè)試方式，最終促使兩臺(tái)計(jì)算機(jī)在30分米距離的線路聯(lián)接下實(shí)現(xiàn)了量子通訊，證明了量子保密通訊的可行性，而隨后怎么降低量子通訊距離，就成為量子保密通訊最主要的任務(wù)。
1995年，西班牙日內(nèi)瓦學(xué)院首次做到了距離23公里的量子保密通訊。2002年，新加坡BBN公司、哈佛學(xué)院和波士頓學(xué)院開(kāi)始聯(lián)合建造DARPA網(wǎng)路，并在2009年完成了城域量子保密通訊實(shí)驗(yàn)網(wǎng)路的建設(shè)。
2003年，美國(guó)、中國(guó)、加拿大等國(guó)學(xué)者提出了引誘態(tài)量子密碼理論方案，在現(xiàn)有技術(shù)條件和真實(shí)系統(tǒng)的狀況下，急劇增強(qiáng)了量子通訊的安全傳輸距離。中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)在2010年時(shí)侯可以做到16公里的量子通訊，到2012年成功推動(dòng)到百公里級(jí)別，并首次證明了衛(wèi)星與地面站間進(jìn)行量子通訊的可行性。
2016年8月，中國(guó)成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，該衛(wèi)星既實(shí)現(xiàn)了上千公里的星地高速量子秘鑰分發(fā)，又實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離地星量子隱型傳態(tài)，因而將極大促進(jìn)量子通訊的實(shí)用化。2016年末，全球首列量子保密通訊骨干線——“京滬干線”貫通，通過(guò)量子中繼站，建立起聯(lián)接天津、上海，貫串西安和蘭州全長(zhǎng)2000余公里的量子通訊骨干網(wǎng)路。也就是通過(guò)墨子號(hào)和滬寧干線聯(lián)接，建成這條“跨越4600公里的天地一體化量子通訊網(wǎng)路”。
（《》論文圖：天地一體化量子通訊網(wǎng)路示意圖）
墨子號(hào)和地面的量子保密通訊是通過(guò)真空和大氣層傳遞，光訊號(hào)傳輸基本不會(huì)衰減，因而可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的自由空間信道傳輸。而滬寧干線采用光纖QKD鏈路傳輸，雖然不受外界環(huán)境影響，然而光訊號(hào)衰減嚴(yán)重，致使必須使用可信中繼方案進(jìn)行城域、城際的傳輸。
理解了這兩種方法的優(yōu)劣點(diǎn)，我們也就才能理解上海學(xué)院團(tuán)隊(duì)提出的“以無(wú)人機(jī)為光學(xué)中繼”的形式進(jìn)行量子秘鑰分發(fā)，所具有“即搭即用、靈活機(jī)動(dòng)”的特征，剛好可以實(shí)現(xiàn)和光纖地基和衛(wèi)星天基量子鏈路的功能互補(bǔ)。
未來(lái)，基于高低空無(wú)人機(jī)所搭建的聯(lián)通量子鏈路可以奔向“低空大型化”和“高空遠(yuǎn)距離”兩個(gè)方向發(fā)展，最終目標(biāo)是可以構(gòu)建多節(jié)點(diǎn)聯(lián)接的自由空間的量子鏈路網(wǎng)路。
經(jīng)過(guò)30多年的演化發(fā)展，從分米級(jí)別到數(shù)千公里級(jí)別、從單線聯(lián)接到城域、城際網(wǎng)路，再到天地一體量子通訊網(wǎng)路，量子通訊早已開(kāi)始步入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的階段當(dāng)中。
暫時(shí)領(lǐng)先，道阻且長(zhǎng)
說(shuō)到這兒，你們可能都十分關(guān)心一個(gè)問(wèn)題，那就是在全球量子通訊產(chǎn)業(yè)大賽中，中國(guó)處在一個(gè)如何的位置？這一次我們可以不客氣地說(shuō)，中國(guó)的量子通訊暫時(shí)取得了領(lǐng)先。
首先，和英國(guó)、歐盟量子通訊網(wǎng)路的實(shí)力對(duì)比，我國(guó)廣域量子通訊網(wǎng)路已具有急劇領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
今年，歐共體發(fā)布的《量子旗艦計(jì)劃戰(zhàn)略研究議題》中提及：“未來(lái)3年愿景是借助QKD合同和具有可信中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)全球范圍的安全秘鑰分發(fā)，6-10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實(shí)現(xiàn)800公里以上的量子通訊。”而英國(guó)今年發(fā)布的《量子網(wǎng)路戰(zhàn)略愿景》中提出：“未來(lái)5年，日本將展示量子網(wǎng)路的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子儲(chǔ)存器到驍龍量量子信道，以及洲際天基糾纏分發(fā)。”
從這兩家的量子戰(zhàn)略時(shí)間表來(lái)比較，我們領(lǐng)先歐共體3至5年，領(lǐng)先韓國(guó)則有5至8年。
其次，從量子通訊領(lǐng)域的專(zhuān)利數(shù)、申請(qǐng)專(zhuān)利的機(jī)構(gòu)以及量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制訂來(lái)看，中國(guó)企業(yè)同樣搶占領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。例如，在量子通訊技術(shù)專(zhuān)利數(shù)排行世界前十的機(jī)構(gòu)中，有7家都是中國(guó)的。
另外，現(xiàn)今中國(guó)量子通訊產(chǎn)業(yè)化規(guī)模正在加速下降。按照數(shù)據(jù)，2017年中國(guó)量子通訊行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到180萬(wàn)元，到2023年將達(dá)到805萬(wàn)元。量子通訊技術(shù)正在金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
雖然當(dāng)前取得暫時(shí)的領(lǐng)先，而且我們也仍然要清醒地認(rèn)識(shí)到量子通訊領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)才剛才開(kāi)始。根據(jù)的技術(shù)成熟度曲線，量子通訊產(chǎn)業(yè)一直處在商業(yè)化初期階段。接出來(lái)，我們要繼續(xù)完成量子通訊網(wǎng)路的建設(shè)，也要在量子通訊產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、小型化方向加大投入，因而豐富量子通訊的應(yīng)用場(chǎng)景。
而在未來(lái)，我們的目標(biāo)是基于遠(yuǎn)距離、可擴(kuò)充、大規(guī)模的量子通訊網(wǎng)路，將分布在各地的量子信息處理器互聯(lián)，率先建成可以承載量子信息的“量子互聯(lián)網(wǎng)”。而同樣，量子互聯(lián)網(wǎng)也是歐日本家量子戰(zhàn)略的最終目標(biāo)。
可以預(yù)見(jiàn)，在接出來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間量子通訊 優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)和歐共體、美國(guó)展開(kāi)一場(chǎng)不亞于現(xiàn)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)激烈互博的技術(shù)大賽。假如我們想要繼續(xù)在量子通訊領(lǐng)域保持優(yōu)勢(shì)，則一直要在量子信息領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化制訂、基礎(chǔ)理論研究，以及從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到應(yīng)用推廣的產(chǎn)業(yè)化方面，都必須保持足夠的投入和創(chuàng)新。
從根本上來(lái)說(shuō)，量子科技人才匱乏一直是制約量子科技發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)力提高的重要誘因。為此，無(wú)論量子信息科學(xué)看上去多么高深，學(xué)上去多么生硬，而且在未來(lái)一定將會(huì)成為一門(mén)大眾必學(xué)選修的一門(mén)基礎(chǔ)課程。只有這樣，大批的量子信息專(zhuān)業(yè)人才也能夠涌現(xiàn)。
最終，希望這篇文章才能成為引導(dǎo)讀者關(guān)注量子信息科學(xué)和量子通訊產(chǎn)業(yè)的一個(gè)抓手。
參考資料：
1.袁嵐峰：《萬(wàn)字長(zhǎng)文！你完全可以理解量子信息》
2.吳軍：《科技史綱60講》
3.紫金山科技：《量子通訊：一場(chǎng)不見(jiàn)烽煙的國(guó)際對(duì)決》