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量子通信的「矛」「盾」之爭

http://www.xcf.cn/newfortune/qianyan/201503/t20150326_734364.htm
作為絕對保密安全的通信措施,量子通信的作用不僅在於提供新的信息傳輸方式,更重要的意義在於防範尚在研製中的量子計算機。歐美走在了具有進攻性的量子計算領域前列,而中國則在防禦性質的量子通信上處於第一梯隊。未來誰將率先實現技術的完全突破? 陶娟/文

  量子力學和相對論被稱為現代物理最基本的兩大支柱,儘管量子理論十分高深,但人們還是在應用上取得了不錯的進展。從計算機到洗衣機,從移動電話到核武器,日常生活的種種都與高大上的量子力學有著千絲萬縷的關聯,可以說量子力學推動和造就了現代社會。

  量子通信,是最新令人心醉神迷的應用之一。2013年6月1日,世界頂尖科學刊物《自然》子刊《光子學》以封面論文的形式,刊登了由中國科學技術大學和清華大學聯合小組完成的一項實驗結果:在八達嶺和16公里之外的張家口市懷來縣之間,成功實現了自由空間的量子態隱形傳輸。2015年2月,中國工商銀行宣佈成功應用量子通信技術,實現了該行北京分行電子檔案信息在同城間的加密傳輸。

  神奇的量子糾纏效應

  即使在物理界,量子理論也是一場「不情願的革命」。「第一次聽說量子理論而沒有被嚇呆的人,是不可能理解這個理論的」,1922年諾貝爾物理學獎得主玻爾(Niels Bohr)如此說道。

  量子被認為不可再分,是最小的能量單位。在量子世界裡,存在一種奇妙的量子「糾纏」運動狀態。共同來源的兩個量子,當其中一個狀態發生變化時,另一個無論距離有多遠,也會發生相應的變化。通俗點來說,它們彼此間存在「心靈感應」。利用量子糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式,即量子通信。

  量子的另一神奇之處在於「觀測」會干擾它的狀態,借用那個著名的「薛定諤的貓」比喻,在開啟盒子的那一瞬間,貓的狀態還是既生又死,不生不死(宏觀上讓人完全無法接受的狀態),只有開啟了盒子,當你觀測這隻貓時,它的狀態才會塌陷成生或死,這使得科學家們得以構建量子密碼的概念。此外,量子態還具備不可克隆的性質,一個量子信息不能克隆成兩個一模一樣的量子信息。

  這些奇妙的量子特性,使得量子通信被認為是絕對安全的通訊手段。當竊聽者試圖攔截或者複製量子比特攜帶的信息時,量子的狀態已經發生了變化。這種不可破解、瞬間傳遞的通信手段無疑將給軍事通信、政府保密通信等帶來顛覆性的革命。在軍政用途之外,民用領域也充滿了可能,其既可應用於金融機構的隱匿通信等工程,也可用於對電網、煤氣管網、自來水網等重要能源供給和民生網絡基礎設施的監視和通信保障。根據興業證券研究所的測算,此領域市場空間將超過千億元。

  量子通信PK量子計算機

  現代通訊已足夠發達,量子通信之所以受到格外重視,更重要的作用是防範也尚處於概念中的「量子計算機」。

  量子通信和量子計算是量子理論應用中目前最為前沿和熱鬧的領域,《科學》和《自然》雜誌近年來幾乎每個月都有一篇文章出自這兩個概念。早在上個世紀,科學家們就已經開始設想,用量子系統構成的計算機來模擬量子現象,從而大幅度減少運算時間。

  現代銀行通訊的加密方式一般基於大數分解,它們之所以安全,是因為利用傳統計算機來破解密鑰需要上百萬年。如對一個500位的阿拉伯數字進行因子分解,目前最快的超級計算機將耗時上百億年,而理論上,量子計算機卻只需花費大約幾分鐘。

  這種恐怖的效率意味著,一旦量子計算機落地,將成為最為鋒利的雙刃劍。它能突破傳統芯片的速度障礙,幫助運行極為複雜的動態模擬,比如氣候變化模型或幫助新藥物研發等;但同時也能輕而易舉地摧毀現代文明中安全的一切。銀行賬戶、各種網絡密碼,甚至發射導彈的軌道參數等,量子計算機都將如「超級神偷」般分分鐘將它們破解。

  能夠對抗量子計算機可能帶來的威脅的,就只有量子通信。清華大學物理系副研究員蔣碩說,「如果沒有量子計算機這支矛,量子信息這面盾就發揮不出作用」。它們之間的戰鬥,並非存在於遙遠的未來,美國科學家預言量子計算機將在50年之後出現。而IBM則預計未來10-15年,就可以製成可靠的量子計算機。

  科學引領資本的產業較量

  雖然它們還都處於概念中,但量子通信和量子計算的比拚正酣,是量子計算這只進攻之「矛」先出鞘,還是量子通信的防禦之「盾」先出爐?眼下無人知曉答案。只是,無論哪派技術達成了理論上的效果,都將引起天翻地覆的變化。而獲得該技術的國家無疑也將佔儘先機。從物理學界到政府,從風投到產業資本,都在密切關注著每個方向的進展。

  在量子態的隱形傳輸試驗中,每一點距離的進步都是一座里程碑。1997年底,奧地利蔡林格研究小組首次在數米的距離內成功進行了傳輸實驗。而2011年由中科大等機構在青海湖完成的97公里量子隱形傳態和糾纏分發,是目前地球上量子態在自由空間中能隱形傳輸的最遠距離。

  產業化的萌芽也在初現,中國在量子通信方面,無論是科技還是應用都處於第一梯隊。中國在《國家中長期科技發展規劃綱要》中將「量子調控」列入重大基礎研究計劃。2000年,中國科學院院士郭光燦研究組憑藉「利用光腔製備兩原子糾纏的方案」研究引起世界矚目,而用實驗證明了該理論的法國科學家沙吉·哈囉徹因此獲得了2012年諾貝爾物理學獎。2010年後,合肥、濟南等地已經建成了城域量子通信試驗示範網,按照相關規劃,北京、上海以及最邊遠的新疆烏魯木齊等城市都在陸續抓緊城域量子通信網的建設,首顆量子通信實驗衛星也將於近兩年內發射。

  最新引發量子通信熱潮的安徽量子通信技術有限公司,則是由中國科學技術大學領頭創建的,中國最頂尖的量子信息專家、中科院院士潘建偉教授在其中持有約22.9%股權(附表)。正是該公司幫助工行實現了同城加密傳輸,根據官網簡介,安徽量子通信是中國最大的量子通信設備製造商和系統服務提供商,擁有中國最多的量子通信領域技術專利。2014年12月,安徽量子通信迎來了新一輪增資,合肥鯤鵬股權投資合夥企業等新投資人進入,註冊資本由3330萬元增至3958萬元。

  相比量子通信方面的優勢,郭光燦院士曾直言不諱指出,中國在量子計算方面的差距較大。美國一直非常注重量子計算機的戰略地位。其軍事委員會將半導體量子芯片列為未來九大戰略研究的第二位,集中了包括英特爾、IBM等半導體界巨頭以及哈佛大學、普林斯頓大學、桑迪亞國家實驗室等著名研究機構,組織各部門跨學科統籌攻關,投入巨資並將其稱作「微型曼哈頓計劃」,重要性直接比擬二戰時期的原子彈研發計劃。2014年9月,谷歌宣佈旗下的量子人工智能實驗室將與美國加州大學聖巴巴拉分校專家聯合開發量子計算技術。

  目前開發出首個可商用量子計算機的D-wave公司為加拿大企業。其號稱已開發出使用512比特的量子計算機,看起來似乎遠遠走在了同行及時代的前面。不過因該公司對核心技術三緘其口,引發學術界諸多質疑,但並不乏豪客為其前景買單。2015年1月末,D-wave宣佈獲得了新一輪2310萬美元的融資,它歷年來的投資方陣容顯赫,包括高盛集團、BDC Capital、Harris & Harris Group、美國中情局的風投機構In-Q-Tel、貝索斯探險(Bezos Expeditions)以及德豐傑等,總融資額度已達1.388億美元。

  目前,洛克希德-馬丁公司正利用D-Wave開發的量子計算機幫助檢驗飛行控制系統。D-Wave公司的另一個合作夥伴是1QBit公司,後者試圖利用量子計算機創建金融運算法則,並且已取得進展。■

量子 通信 之爭
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