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量子通信的“矛”“盾”之争

http://www.xcf.cn/tt2/201504/t20150417_741620.htm

  作为绝对保密安全的通信措施,量子通信的作用不仅在于提供新的信息传输方式,更重要的意义在于防范尚在研制中的量子计算机。欧美走在了具有进攻性的量子计算领域前列,而中国则在防御性质的量子通信上处于第一梯队。未来谁将率先实现技术的完全突破? 陶娟/文

  量子力学和相对论被称为现代物理最基本的两大支柱,尽管量子理论十分高深,但人们还是在应用上取得了不错的进展。从计算机到洗衣机,从移动电话到核武器,日常生活的种种都与高大上的量子力学有着千丝万缕的关联,可以说量子力学推动和造就了现代社会。

  量子通信,是最新令人心醉神迷的应用之一。2013年6月1日,世界顶尖科学刊物《自然》子刊《光子学》以封面论文的形式,刊登了由中国科学技术大学和清华大学联合小组完成的一项实验结果:在八达岭和16公里之外的张家口市怀来县之间,成功实现了自由空间的量子态隐形传输。2015年2月,中国工商银行宣布成功应用量子通信技术,实现了该行北京分行电子档案信息在同城间的加密传输。

  神奇的量子纠缠效应

  即使在物理界,量子理论也是一场“不情愿的革命”。“第一次听说量子理论而没有被吓呆的人,是不可能理解这个理论的”,1922年诺贝尔物理学奖得主玻尔(Niels Bohr)如此说道。

  量子被认为不可再分,是最小的能量单位。在量子世界里,存在一种奇妙的量子“纠缠”运动状态。共同来源的两个量子,当其中一个状态发生变化时,另一个无论距离有多远,也会发生相应的变化。通俗点来说,它们彼此间存在“心灵感应”。利用量子纠缠效应进行信息传递的新型通信方式,即量子通信。

  量子的另一神奇之处在于“观测”会干扰它的状态,借用那个著名的“薛定谔的猫”比喻,在开启盒子的那一瞬间,猫的状态还是既生又死,不生不死(宏观上让人完全无法接受的状态),只有开启了盒子,当你观测这只猫时,它的状态才会塌陷成生或死,这使得科学家们得以构建量子密码的概念。此外,量子态还具备不可克隆的性质,一个量子信息不能克隆成两个一模一样的量子信息。

  这些奇妙的量子特性,使得量子通信被认为是绝对安全的通讯手段。当窃听者试图拦截或者复制量子比特携带的信息时,量子的状态已经发生了变化。这种不可破解、瞬间传递的通信手段无疑将给军事通信、政府保密通信等带来颠覆性的革命。在军政用途之外,民用领域也充满了可能,其既可应用于金融机构的隐匿通信等工程,也可用于对电网、煤气管网、自来水网等重要能源供给和民生网络基础设施的监视和通信保障。根据兴业证券研究所的测算,此领域市场空间将超过千亿元。

  量子通信PK量子计算机

  现代通讯已足够发达,量子通信之所以受到格外重视,更重要的作用是防范也尚处于概念中的“量子计算机”。

  量子通信和量子计算是量子理论应用中目前最为前沿和热闹的领域,《科学》和《自然》杂志近年来几乎每个月都有一篇文章出自这两个概念。早在上个世纪,科学家们就已经开始设想,用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,从而大幅度减少运算时间。

  现代银行通讯的加密方式一般基于大数分解,它们之所以安全,是因为利用传统计算机来破解密钥需要上百万年。如对一个500位的阿拉伯数字进行因子分解,目前最快的超级计算机将耗时上百亿年,而理论上,量子计算机却只需花费大约几分钟。

  这种恐怖的效率意味着,一旦量子计算机落地,将成为最为锋利的双刃剑。它能突破传统芯片的速度障碍,帮助运行极为复杂的动态模拟,比如气候变化模型或帮助新药物研发等;但同时也能轻而易举地摧毁现代文明中安全的一切。银行账户、各种网络密码,甚至发射导弹的轨道参数等,量子计算机都将如“超级神偷”般分分钟将它们破解。

  能够对抗量子计算机可能带来的威胁的,就只有量子通信。清华大学物理系副研究员蒋硕说,“如果没有量子计算机这支矛,量子信息这面盾就发挥不出作用”。它们之间的战斗,并非存在于遥远的未来,美国科学家预言量子计算机将在50年之后出现。而IBM则预计未来10-15年,就可以制成可靠的量子计算机。

  科学引领资本的产业较量

  虽然它们还都处于概念中,但量子通信和量子计算的比拼正酣,是量子计算这只进攻之“矛”先出鞘,还是量子通信的防御之“盾”先出炉?眼下无人知晓答案。只是,无论哪派技术达成了理论上的效果,都将引起天翻地覆的变化。而获得该技术的国家无疑也将占尽先机。从物理学界到政府,从风投到产业资本,都在密切关注着每个方向的进展。

  在量子态的隐形传输试验中,每一点距离的进步都是一座里程碑。1997年底,奥地利蔡林格研究小组首次在数米的距离内成功进行了传输实验。而2011年由中科大等机构在青海湖完成的97公里量子隐形传态和纠缠分发,是目前地球上量子态在自由空间中能隐形传输的最远距离。

  产业化的萌芽也在初现,中国在量子通信方面,无论是科技还是应用都处于第一梯队。中国在《国家中长期科技发展规划纲要》中将“量子调控”列入重大基础研究计划。2000年,中国科学院院士郭光灿研究组凭借“利用光腔制备两原子纠缠的方案”研究引起世界瞩目,而用实验证明了该理论的法国科学家沙吉·哈罗彻因此获得了2012年诺贝尔物理学奖。2010年后,合肥、济南等地已经建成了城域量子通信试验示范网,按照相关规划,北京、上海以及最边远的新疆乌鲁木齐等城市都在陆续抓紧城域量子通信网的建设,首颗量子通信实验卫星也将于近两年内发射。

  最新引发量子通信热潮的安徽量子通信技术有限公司,则是由中国科学技术大学领头创建的,中国最顶尖的量子信息专家、中科院院士潘建伟教授在其中持有约22.9%股权(附表)。正是该公司帮助工行实现了同城加密传输,根据官网简介,安徽量子通信是中国最大的量子通信设备制造商和系统服务提供商,拥有中国最多的量子通信领域技术专利。2014年12月,安徽量子通信迎来了新一轮增资,合肥鲲鹏股权投资合伙企业等新投资人进入,注册资本由3330万元增至3958万元。

  相比量子通信方面的优势,郭光灿院士曾直言不讳指出,中国在量子计算方面的差距较大。美国一直非常注重量子计算机的战略地位。其军事委员会将半导体量子芯片列为未来九大战略研究的第二位,集中了包括英特尔、IBM等半导体界巨头以及哈佛大学、普林斯顿大学、桑迪亚国家实验室等著名研究机构,组织各部门跨学科统筹攻关,投入巨资并将其称作“微型曼哈顿计划”,重要性直接比拟二战时期的原子弹研发计划。2014年9月,谷歌宣布旗下的量子人工智能实验室将与美国加州大学圣巴巴拉分校专家联合开发量子计算技术。

  目前开发出首个可商用量子计算机的D-wave公司为加拿大企业。其号称已开发出使用512比特的量子计算机,看起来似乎远远走在了同行及时代的前面。不过因该公司对核心技术三缄其口,引发学术界诸多质疑,但并不乏豪客为其前景买单。2015年1月末,D-wave宣布获得了新一轮2310万美元的融资,它历年来的投资方阵容显赫,包括高盛集团、BDC Capital、Harris & Harris Group、美国中情局的风投机构In-Q-Tel、贝索斯探险(Bezos Expeditions)以及德丰杰等,总融资额度已达1.388亿美元。

  目前,洛克希德-马丁公司正利用D-Wave开发的量子计算机帮助检验飞行控制系统。D-Wave公司的另一个合作伙伴是1QBit公司,后者试图利用量子计算机创建金融运算法则,并且已取得进展。■


量子 通信 之爭
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