http://sixianghuayuan2.blogspot.com/2011/06/blog-post_3401.html
今天信報羅耕的文章提到﹐用他的拼圖來看﹐大市將向萬四進發。以我的記憶﹐同樣的評圖﹐曾經在08年初拼出了恒指萬一底和道指六千底﹐所以這個論點也不能等閑視之。
如此﹐在漫長的萬四之旅之中﹐基礎分析不重要﹐反而一些技術性分析工具就應該很重要了。
以最近的觀察﹐牛熊街貨比似乎是測市奇準的工具﹐儘管專家會說這個數據毫無意義﹐不科學﹐誤導性高等﹐但也不能抹殺﹐兩者之間相關性很強。
然而﹐儘管有這樣的觀察﹐要從中歸納出規律﹐卻不是簡單的事﹐市面上也還沒有相關的理論。
要建立這樣一個理論框架﹐也許可以從以下這個基本觀察開始﹕
規律1﹕
“如果恒指牛熊證街貨比持續高企一段時間﹐大市向下的機會大﹐反之亦然。”
背後牽涉到很複雜微妙的市場心理和機製﹐不去說它﹐但單就這個觀察而言﹐起碼在今年內是成立的。
然而﹐什麼是“高水平的街貨量”﹐又要持續多久才能對市場造成影響﹐也是很難定義的。
直觀地﹐我先想了一個定義﹐假設街貨比為5就是高﹐只要高於5﹐大市就是在危險區﹐就等於如同海嘯警告般﹐響起了警號。
然而﹐這個設想很快被推翻了﹐因為可以看到相反的例證﹐在今年1月2月的時候﹐街貨比處於2到3水平﹐但大市也是跌跌不休。
我又想﹐街貨比的絕對數值並不重要﹐它的變化趨勢才能反應市場心理。因為在不同的時段﹐市場的風險偏好不同﹐大戶部署時﹐貼價策略也會影響到街貨量﹐所以在不同時段的街貨量比較是沒有意義的。
但如果只是以變化率做考慮﹐會遇到一個技術問題﹐如果在大市單日波幅很大時﹐會殺掉一些牛/熊證﹐令街貨減少﹐而同時發行商又未能及時補上新的牛/熊證﹐這樣出來的變動率會很劇烈﹐但卻不能反映市場心理﹐有誤導性。
於是﹐我做了另一個設想﹕
規律2﹕
“如果恒指牛熊證街貨比的三天平均線上穿十天平均線﹐並停留在其之上﹐則大市向下的機會大於向上﹐反之亦然。"
背後的設想是這樣的﹕
首先﹐我們假想在一個固定的時間段之內﹐牛熊證街貨比應該是一個常數。在這個固定的時間段內﹐宏觀經濟﹐資金﹐風險偏好等條件應該是不變的﹐在這個不變的設定條件下﹐牛熊證街貨比應該反應的是純粹的對衝需要。
我們可以這樣理解﹐在這個固定的時間段內﹐任何實際牛熊證街貨比和上述比例的差異﹐反應的都是市場心理的變化。
由於牛熊證是衍生工具﹐變化得比較快﹐我們可以用十天平均線來假設這個“牛熊證街貨比常數”﹐只要當日街貨比高于此數﹐我們就可以說是過高﹐反之亦然。
然而﹐由於市場單日波幅也會影響街貨量﹐為了消除這個影響﹐不能用單日數據﹐而必須用三日平均數據來比較﹐這是假設了發行商會在原來的牛/熊證被殺掉後﹐最遲會在兩天內補回原來的發行量提供給市場。
當然﹐這個“XX天線穿XX天”的組合﹐是可以任意選擇的﹐可以是三天線配十天線﹐也可以五天線穿三十天線﹐如果有時間﹐可以每個組合都試﹐套入歷史數據來驗證﹐應該能找到最優的組合。
上述的推論過程﹐不知別人有什麼見解﹐或能否有更好的設想和建議﹖ 可以一起把整個理論框架充實。
SENSE隨筆150120
讓人暈眩的量子力學
執筆人:蟬
作為物理學門外漢,若非憑藉電影《星際啟示錄》介紹相對論和蟲洞理論,可能半輩子也不絲毫知道其內容。 相對論雖然是超過半世紀的科學成就,直到今天仍然是物理學的研究對象,但若要說到近代最具影響力的物理學理論,便不得不提「量子物理學Quantum Physics」了。
大家都知物理學的目的是觀察物理世界不同的現象,並嘗試找出現象之間的關係與規律。 然而量子物理學卻有點不同:它指出甚麼事不會發生,而非甚麼事必然會發生。*** 量子物理學源自一個看似簡單的問題:到底萬物是甚麼造成的?然而物理學家在追尋答案時,卻發現事情比想像中複雜得多。
生活中人們經常會問:這是甚麼物質做的?例如筷子是竹子做的,竹子是纖維做的,纖維是細胞組成的……一直追問下去,物理學家便告訴我們是分子molecule、原子atom,最後是亞原子粒子subatomic particle:“物質”就是一連串焦距以外的形態。 但在這個不斷把物質放大的過程中,科學家發現宇宙可能根本沒有最後的材料,如果硬要說的話,那就是能量energy。****
那亞原子粒子是能量做的嗎?答案卻是否定的:亞原子粒子就是能量本身。*** 量子物理學認為世界基本上只是躍動的能量,能量無處不在,以不同的形式交替展現。人們所謂的 “物質”是能量的一種形式,是能量生滅不息的一種形態。
這種禪味甚濃的說法始於物理學家尋找宇宙最小的積木開始。 他們的取徑很簡單:將物質不斷分解至最小塊為止。 舉例若要找出一個時鐘的結構,我們可以把時鐘不斷拆散,直至把每一個細小的零件也分解出來,直至不能再拆細為止。這便是粒子加速器的原理:將兩顆亞原子粒子加速互撞,撞擊所產生的碎片,便是它們的“質料”了。
這個極之合乎邏輯的實驗方法,其結果卻出乎意料,像美國物理學家David Finkelstein所笑言:粒子加速器實際就好像將兩座時鐘對撞,結果飛出來的不是齒輪和彈簧等零件,而是新的時鐘,有時還和原來的一樣大。
在撞擊的過程中,撞擊的粒子的確是碎了,但卻立即又組成了新的粒子,而這些新粒子都跟原來的一樣“基本”,質量往往又和原來一樣大。**** 物理學家發現,由於粒子在撞擊時除了質量外還有動能,粒子跑得越快,撞擊點上就有越多動能可以產生新的粒子。
那到底速度如何影響撞擊結果呢?物理學家講到粒子的質量時,一般是指靜止質量restmass,而其他質量則為相對論性質量relativistic mass。粒子的質量會隨著速度增加。
粒子在99%光速時質量比靜止時大7倍,但質量與速度的關係並非線性的,而是在99%光速以上時質量才會急速增加。
舉例一顆電子以0.99986光速運行,及以0.999999996的光速運行時,就速度增加的幅度來說其實微不足道, 差別相當於一部車以2小時跑一段路增速至1小時59分59秒跑完同一段路。但其質量變化卻不然:質量由靜止質量60倍增至1.18萬倍。所以粒子加速器應該叫做粒子增質器才對。
根據愛因斯坦的「質能二元論」E=mc2,質量是一種能量的形式,即存在的能量。運動中的粒子既有存在能量(質量),也有運動能量(動能)。兩種能量都可以在粒子碰撞時用來製造新的粒子。
對量子物理學家而言,質量其中一個最重要的應用是把粒子分成「輕子lepton」、「介子meson」和「重子baryon」。電子是眾粒子中最輕的,故亦用作粒子質量的單位。
說到這裡可能會令人有錯覺,以為量子物理學發展非常順遂,但事實並非如此。物理學家在利用粒子加速器實驗時,由於日常言語的限制,經常會說一些看似很蠢的說話。根據現時的量子物理學,物理學家相信:
1.亞原子粒子並不是本身獨立存在的;
2.亞原子粒子既有 “波特性wave properties”,也有 “粒子特性particle properties”,即所以「波粒二象性wave-particle duality」;
3.亞原子粒子是 “場與場field互動”的呈現。
當中第3點來自「量子場論Quantum Field Theory」(QFT),QFT假設“物質本質上無實體”,真正真實的只有“場”,場並不是物質,物質如粒子只是場與場互動時瞬間的呈現。 場才是宇宙間唯一真正的事物,但它卻無法捉摸,並無實體。場的互動是瞬間而狹小的,互動時看起來像粒子。
量子場論雖不是完整的理論,但卻極具解釋力。 物理學家依然把粒子撞擊實驗中的粒子看成獨立的存在,仿彿粒子就像棒球在鏡頭前飛過一樣地去處理。 這種以古典物理學語言去描述量子力學的情況,只是量子物理學家面對的眾多難題之一。然而這種奇怪的研究狀況,卻在過去四十多年內成功發現了一百多種粒子。***
參考:
《像物理學家一樣思考The Dancing Wu Li Master》(1979) Gary Zukav
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關鍵詞是超級安全 ;京滬城域網即將建成,兩地幹線在望;首顆 量子科學實驗衛星將上天 ◎ 財新記者 于達維|文在手機、互聯網之後,人類的通信還能有什麼創新?量子通信無疑是答案之一。 量子通信是指利用量子力學效應輔 助信息傳遞的一種新型通信方式。關於量子通信的傳言已經夠多,最吸引人的傳言是量子通信快到可以超越光速,甚至能瞬時將人由A地傳送至B地,近乎時空穿越。 現實沒有這麼玄乎,量子通信不可能真的超光速,但其優勢足以讓人類孜孜以求 :通信更快,更加安全。信息安全是人類的剛需,量子通信理論上具有“無懈可擊” “無條件安全”的優勢,在軍事、金融和個人私密方面意義重大。 包括美國、日本和中國在內的多個國家,正在競逐這一開啓未來的技術。 與公衆一般認為的此技術還處於實驗室階段不同,量子通信近年已初步走出實驗室,開始商用。 2004年,世界上第一個量子密碼通信網絡在美國劍橋城正式運行。目前美國正試圖建立上千公里的量子通信線路,未來還想建立起總長超過1萬公里的環美國量子通信網絡。 鮮為人知的是,與許多前沿技術中國處於落後狀態不同,在量子通信領域,中國處於世界領先位置。中國已斥巨資在部分城市建立量子通信網,並且正在修建上千公里的量子通信“京滬幹線” ,2016年還要發射量子通信衛星。 量子通信的科學基礎是量子力學。 從20世紀開始,量子力學就開始改變世界。20世紀,量子力學被應用于物質科學和能源科學,產生了代表當代文明社會的諸多高科技成果,如核能、半導體、激光等。科學家預計,21世紀量子力學將被應用于信息科學,將導致量子通信、量子計算等誕生,為人類提供絕對安全的信息傳輸方式和超越經典極限的超高速計算能力。 不過,夢想與現實距離尚遠——雖然中國現在的量子通信手段、技術乃至產業化進程已經走在世界前列,但是不管是中國科學家還是國外同行所言的量子通信,並不是傳統意義上的對數據進行直接通信,而主要是給傳統的數據通信加上量子密鑰作為安全堡壘。 “現在我們能夠做到的,還只是一種加密手段,距離真正稱為‘通信’還有些遙遠,其理論上不可攻擊的特性,在現實中也受到一定的限制。 ”一位受訪學者指出。 有科學家比喻,目前的量子通信,相當于手機時代的“大哥大”階段。顯然,要使量子通信在傳輸容量上與經典通信可比擬,仍有較長的路要走。 “愛因斯坦的幽靈” 在通信技術如此發達的今天,各國間涉及政治外交、軍事安全的大部分機密信件和物品,仍然通過最傳統的方式——外交信使來傳遞。為什麼? 原因很簡單——即便是再高級的保密通信,只要是通過當前的電話線、無線電、光纖等手段,都會面臨被破譯和竊聽的可能。以計算複雜性為基礎的經典密碼,在越來越強大的計算能力面前,總有一天會不值一提。 量子通信則完全不同。以物理定律為基礎的量子密碼的安全性,在理論上是無懈可擊的。量子通信是目前惟一被人類證明絕對安全的保密通信方法。美國《商業周刊》曾把它列在改變人們未來生活十大發明的第三位。 除了可用于保密通信,量子密碼還 可以對使用到的個人資料進行保密。或者進行信息認證,用來證明某一信息來自某人或某處而未被改動。 量子(quantum)是現代物理的重要概念,指不可分割的基本能量單元。 1900年,普朗克利用一份份量子概念,打破經典物理中能量連續分佈的觀念,解決了困擾物理學界多年的黑體輻射問題。這被公認為量子力學誕生的標誌。 在普朗克作出這一大膽假設之後出生的海森堡,又提出了“測不准”原理,量子力學由此確立。 愛因斯坦利用量子學說成功解釋了光電效應,並獲得了諾貝爾獎,但他本人對量子力學充滿疑慮。 “上帝不擲骰子” ,是他對於量子力學中一個粒子可以同時擁有多種狀態最直接的反擊。 為了說明量子力學理論的不完備性,愛因斯坦甚至發表了一篇論文,指出如果量子力學理論成立,則可能存在一個所謂糾纏狀態,即同一來源的兩個量子無論距離多遠,其中一個狀態的變化會導致另一個狀態的變化,那麼這兩個粒子之間就存在著一種超光速的聯繫。愛因斯坦稱這種聯繫為幽靈式相互作用(spooky action in a distance) ,與相對論是矛盾的。 愛因斯坦原本認為不可能存在的“幽靈” ,在多年後被科學家嚴密的實驗所證明。1980年,法國物理學家阿蘭·阿斯佩克特(Alan Aspect) ,首次用實驗證實了這一現象,阿斯佩克特因此被授予2010年沃爾夫物理學獎。 這種現象被稱為“非定域性” 。在過去30餘年中,這一現象在世界各地的實驗室里被大量地研究。在這些研究中發展起來的對單個量子狀態和多個量子之間的相互作用的主動調控技術,使得科學家意識到人類有能力發展一種利用量子特性突破經典極限的安全信息傳輸技術,即量子密鑰分發。 首先想到將量子力學用于密碼的是美國哥倫比亞大學的斯蒂芬· 威斯納(Stephen Wiesner) 。他基於“測不准原理” ,在1970年提出用量子編碼製造不可偽造的電子鈔票。但方案需要能長時間保存單量子態,被學界認為不大現實。 美國 IBM 公司沃森實驗室的查爾斯· 本內特(Charles Bennett)和加拿大蒙特利爾大學的吉利斯 · 佈雷薩德(Gilles Brassard)受到威斯納的啟發,認識到單量子雖不好保存但可用于傳輸信息。他們在1984年提出了利用單光子偏振態編碼傳送密鑰信息的量子密碼協 議。此協議目前被稱為BB84協議。 1992年,本內特又提出一種與BB84協議類似、更簡單但效率減半的方案, 即 B92協議。這兩個協議,都是由 A 向 B 發射一系列不同偏振態的光子,B 對其進行隨機測量,然後選取符合 A 要求的測量結果作為密碼。在驗證 密碼的過程中,如果存在竊聽行為,可以從測量結果的錯誤率中發現。 更為玄妙的基於雙量子糾纏態實現量子密碼協議,由阿瑟· 厄克特(Artur Ekert)于1991年提出,被稱為 EPR 協 議。通過糾纏量子系統的非定域性來傳 遞量子信息,A 和 B 雙方各自對糾纏量子進行隨機測量,然後選取測量方式相同的時候得到的結果作為密碼。 1993年,本內特等六位科學家提出了量子隱形傳態的設想,即利用糾纏粒子對遠程關聯,以糾纏粒子為信號載體對信號進行傳輸、調制與解調,將某個粒子的未知量子態傳送給遠處的另一個粒子,使該粒子處在這個未知量子態上。 這一設想被公認為是量子通信的基礎。 之所以說量子通信不可破譯,是基於“海森堡測不准原理”和“單量子不可複制定理” ,前者是指在同一時刻以相同精度測定量子的位置與動量是不可能的,後者是指在不知道量子狀態的情況下複制單個量子是不可能的。這就保證了任何竊聽者都無法在不改變密鑰狀 態的前提下截取或者複制密鑰信息。 清華大學物理系教授龍桂魯對財新記者說,量子密鑰分發是相對容易實現的量子通信方式,其要求的操控技術比較簡單,只需要一兩個量子比特即可以。 中國量子起跑 中國在量子通信領域之所以全球領先,與中國科學院院士、中國科學技術大學(下稱中科大)教授潘建偉有關。 1989年,本內特等人在 IBM 成功研製出世界上第一台量子密鑰分發的原型樣機,但是它的工作距離僅為32厘米。 此後,英國、瑞士、瑞典、日本、美國等國的科學家,逐步將量子密碼在光纖中傳輸的距離推進到幾十甚至上百公里,並嘗試在自由空間中進行傳遞並取得成功。 1997年,當時在奧地利留學的潘建偉與奧地利物理學家安東 · 賽林格(Anton Zeilinger)等人合作,首次實現了“量子態的隱形傳輸” ,這是國際上首次在實驗中成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。 他們的論文轟動了學術界和新聞界,同倫琴發現 X 射線、愛因斯坦建立相對論等論文共同被《自然》評為20世紀最有影響的21篇經典論文之一。 2001年,潘建偉回到中國,到中科大任教,並開始在母校中科大組建量子信息實驗室。經過近十年來在人才、設備、軟件等方面的探索與積累,潘建偉團隊的實驗室目前已躋身為國際量子信息研究最前沿的三個實驗室之一。 2004年,潘建偉、楊濤等人發表論文“五光子糾纏和終端開放的量子態隱 形傳輸” 。研究成果入選歐洲物理學會和美國物理學會的年度十大進展。 2009年,潘建偉的研究組與清華大學合作,在北京八達嶺與河北懷來之間成功實現了世界上最遠距離的量子態隱 形傳輸,16公里的距離相當于此前世界記錄的27倍。 當年10月1日,在建國60周年國慶閱兵期間,潘建偉團隊在關鍵節點間構建量子通信熱線,用于重要信息傳送保障。潘建偉曾經透露,2009年大閱兵的通信量不少于一場戰役,在當時使中國成為第一個將這種技術實用化的國家。 “中國完全有能力在一場局部戰爭中充分使用量子通信,未來的發展方向是利用量子中繼衛星實現覆蓋全軍的量子通信指揮。 ”潘建偉說。 美國《時代》周刊曾經報道稱,中國科學家在量子通信研究上創造了世界記錄,解放軍能在瞬間傳送軍事信息而不被破壞或攔截。通過這項保密力度極強的科技應用,能大幅度提高解放軍的指揮和控制能力,使得中國在信息戰方面的能力超越美軍。 2012年2月17日, 耗 資6000萬 元、歷時18個月建設的“合肥城域量子通信試驗示範網”完成。這個由潘建偉團隊設計的示範網有46個節點,網絡覆蓋合肥主城區,連接40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。主要用戶為對信息安全要求較高的政府機關、金融機構、醫療機構、軍工企業及科研院所。 2014年3月投入使用的濟南量子通信試驗網,也由潘建偉團隊完成。與合肥網的不同在於,濟南網是面向用戶日常應用的,希望更加貼合不同使用單位的要求。濟南量子網絡有90多家用戶單位,可以通過網絡內量子通信集控站和終端,實現安全的語音和視頻通信、安全的文件傳真以及安全的數據傳輸。 此外,潘建偉的團隊還幫助新華社在新聞大廈和金融信息交易所之間建立金融信息量子通信驗證網。在中共十八大等重要政治活動期間,他們在中南海、京西賓館、人民大會堂之間建立的基於量子通信的高安全通信保障系統,也發揮了信息安全保障的作用。 2013年,中科院聯合相關部門啓動了上千公里的光纖量子通信骨幹網工程“京滬幹線”項目,建設連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網絡。潘建偉出任該項目首席科學家。 潘建偉告訴財新記者,目前,將實用化的量子密鑰分發技術與現有密碼體系、數據通信技術、一次一密加密方式等相結合,構成量子保密通信技術;該技術通過量子密鑰分發在兩地間共享量子密鑰,所共享的量子密鑰用于加解密所要傳輸的信息,可實現兩地間信息的高安全保密傳輸,遠超現有通信技術所能提供的安全性。 北京市、上海市城域量子通信網將于2015年建成。加上已經建成的合肥、濟南城域量子通信網,預計到2016年就可以實現京滬廣域量子保密通信。這將 為政府和金融機構提供最高安全等級的通信保障。 量子衛星計劃 在近日召開的“量子信息、量子計算和量子測量學科發展戰略院士論壇”上,“量子科學實驗衛星”工程常務副總師、中科院上海分院副院長王建宇透露,由中國完全自主研發的世界首顆“量子科學實驗衛星”現已完成關鍵部件的研製與交付,衛星有望先于歐美在2016年左右發射,在軌設計壽命為兩年。 潘建偉指出,基於在中國青海湖等地進行的多項成功實驗,中國量子科學實驗衛星的主要技術攻關已經完成,目前正在進行建造衛星的工作,項目整體穩步推進。 此量子科學實驗衛星的目標是實現高速星地量子密鑰分發,實現北京和烏魯木齊之間的量子保密通信,實現星地量子糾纏分發,並且計劃在德令哈和麗江之間實現距離遠達1200公里的大尺度量子非定域性檢驗,還將在衛星和阿里之間實現星地量子隱形傳態。 潘建偉透露,中國將在2016年首顆衛星發射成功後,發射多顆衛星,到2020年實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發, 屆時聯接亞洲與歐洲的洲際量子通信網也將建成。到2030年左右,則將 建成全球化的廣域量子通信網絡。 在他看來,現在迫切需要解決的是量子存儲、量子中繼問題,這樣量子密鑰分發就可以傳送得更遠,就可以全球化。 “現在大家在各顯神通,真正實用化還需要10年-20年的時間。 ”在潘建偉看來,在完美的量子中繼出現之前,衛星是實現遠程量子通信的一個很好的解決方案,能實現幾千公里之間的量子密鑰分發。量子信號在從衛星傳輸到地面過程中的衰減,大概相當于在地面10公里的傳輸距離,安全性可以得到足夠的保證。 衛星量子通信不可避免地會受到天氣條件的影響。他說,只能保證在晴天可以工作,但是密鑰也可以存一段時間,天氣不好的時候數據傳不下來,天氣好的時候就多送一點。對於重要的部門,這個碼率已經足夠。 潘建偉認為,從長遠看,量子通信還是要用量子中繼,包括探索如何可以利用不受天氣影響的遠紅外進行通信,這需要發展新的探測器。 為推進量子通信產業化,中科大發起組建了兩家公司,分別是安徽量子通信有限公司(下稱安徽量通) 、安徽問天量子科技有限公司(下稱問天量子) 。 安徽量通是中科大在2009年發起組建的,基於潘建偉團隊的技術,目前這家公司是中國最大的量子通信設備製造商和系統服務供應商。2014年9月14日,安徽量通曾經對外表示,已經可以量產商用量子密碼機。 安徽量通總經理趙勇對財新記者說,合肥、濟南的城域量子通信網,以及即將建成的京滬幹線,均使用了最可靠的技術。其他密碼技術在理論上就是不完全的,量子密碼則是越來越安全。 成立于蕪湖的問天量子,其技術基於郭光燦團隊,2009年在蕪湖建成了世界上第一個“量子政務網” 。 趙勇指出,已有的量子通信方式,都需要經典信道的輔助,這是對於經典通信方式的補充,讓經典通信方式更加安全,而不是取代後者。 他透露,目前他們在北京、上海建設的量子通信網絡,主要針對於金融系統、政務系統。 “團隊跟很多領域做了接觸,對方認為我們確實解決了他們很長時間想解決的問題,即數據傳輸過程中的安全性。當然,他們也希望我們的技術更加成熟,門檻、標準都制定好,現在都是做試點。 ” 全球量子賽跑 中國並非惟一開展遠距離實用化量子通信網絡建設的國家。 上世紀末,美國政府便將量子信息列為“保持國家競爭力”計劃的重點支持課題。隸屬於美國政府的美國國家標準與技術研究所(NIST)更將量子信息作為三個重點研究方向之一。加州理工大學、麻省理工學院和南加州大學聯合成立了量子信息與計算研究所,直接歸美國軍隊研究部門管轄。 1999年,美國洛斯· 阿拉莫斯國家實驗室就實現了500米的量子密碼自由空間傳輸。2003年,美國國防部高級研究計劃署又領銜建設了量子通信技術試 驗網絡。 2004年6月3日,世界上第一個量子密碼通信網絡在美國馬薩諸塞州劍橋城正式投入運行。主持這套網絡建設的是美國 BBN 技術公司,這個量子密碼通信網絡實現了該公司與哈佛大學之間的連接,且很快就延伸至波士頓大學。網絡傳輸距離約為10公里。 2006年,洛斯· 阿拉莫斯國家實驗室實現了超過100公里的量子保密通信實驗。 2009年,美國政府發佈信息科學白皮書,明確要求各科研機構協調開展量子信息技術研究。同年,美國相關機構不僅及時地建成了城域量子通信演示網,還取得了量子存儲和波動研究的新突破。2011年,美國國家標準與技術研究所的科學家更是獲得了單量子位處理量子信息的最新系列成果。 目前美國也已經著手建立長達千公里的量子通信線路,進一步計劃是在此基礎上建立起連接美國主要城市、總長超過1萬公里的環美國量子通信網絡。 早在2000年,日本郵政省就將量子通信技術作為一項國家級高技術列入開發計劃,主要致力于研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術。日本的一些著名大公司和高校,始終在研發量子通信的高端技術與系統。 這些企業和高校包括NTT、NEC、松下電器、日立、東芝等公司和東京大學、玉川大學等高校。2010年,日本量子 ICT集團與多家電氣、電機、電信電話公司合作,在超高速寬帶網絡上採用量子密碼技術,實現了不能竊密的多點電視會議系統,並開始投入試運行。 日本顯著的特點,是吸引了各大電子工業巨頭的參與,它們持續不斷研發更穩定的光源和更精密的探測器,讓量子通信在實際運用中所實現的傳輸距離和持續時間逐年提升。日本計劃在2020 年 -2030年間建成絕對安全保密的高速量子通信網,從而實現通信技術應用上的質的飛躍。 歐盟的“歐洲量子科學技術”計劃以及“歐洲量子信息處理與通信”計劃,是歐盟繼歐洲核子中心和航天技術採取國際合作之後,又一針對重大科技問題 的大規模國際合作。1993年至2011年,英國、瑞士、奧地利、德國、法國、瑞典等國的科學家曾連續創造量子密鑰分發、量子密碼通信、太空傳輸量子信息及量子信息存儲等一系列根本性突破。 歐洲科學家們曾經提出,送一個量子通信實驗設備到國際空間站上去,這樣就可以比中國更快速和更便宜地實現太空量子通信,但是這個計劃尚未得到歐盟的認可。 該不該叫通信 當然,相對於可以傳遞文件、語音、視頻的經典通信方式,目前科學家所說的量子通信,還主要是一種傳輸密鑰的方式,在數據傳輸容量上與經典通信相比還有較大的差距。由此,全球學界對量子通信存在一些爭議聲音,比如量子密鑰傳輸能不能稱為量子通信。 對此,潘建偉指出,國際上把量子隱形傳態、量子糾纏交換和量子密鑰分發等幾種技術統稱為量子通信(Quantum Communication) 。 量 子 通信並非狹義化的概念,是指用量子態來 傳遞信息,所傳遞的信息可以是經典信息,也可以是量子信息。 盡管潘建偉如此解釋,但爭議仍存。 中科大量子信息重點實驗室主任郭光燦院士對財新記者表示: “通信一定要有內容。合肥的網絡,濟南的網絡,所實現的都是量子密鑰分發,說成是量子通信是不夠準確的。 ”清華大學電子工程系教授黃翊東則對財新記者表示,即便是中國即將發射的量子通信實驗衛星也是用來傳輸密鑰,不是傳輸大容量數據,而是解決保密問題。 在2012年由中國科協組織的一次研討會上,中科大量子實驗室副主任韓正甫也表示,量子通信和量子密碼完全不是一回事,量子密碼本身是密碼,而通信是有信息的。 當時北京大學電子學系副主任郭弘教授也表示, “現在看來量子通信也不是太好的一個詞,因為我們既然說量子通信,總是跟現有的通信比較,也許它跟我們現在所說的、大家所理解的通信之間還有很大的差別。 ”一位從事量子密碼研究的專家對財 新記者說,根據信息論創始人香農的定義,信息是把不確定的東西確定下來的內容,確定一件事就是一個比特,而密碼就是隨機數。當然,沒有信息量的密碼也有一定的用處,但叫做量子通信非常勉強。 他舉例說,他曾經以量子密碼通信的題目申請國家自然科學基金,但是基金委信息學部的領導,就不認這個賬。 該領導曾說,明明就是量子密碼,為什麼叫通信。 對於種種爭議,潘建偉認為,目前量子通信的技術優勢主要體現在安全性方面,不以傳輸容量為其特點,今後有可能通過容錯編碼、密集編碼等技術研究的突破實現傳輸容量的提高。 潘建偉說,量子通信主要包括兩方面內容,量子密鑰分發和量子隱形傳態。 量子密鑰分發克服了經典加密技術內在的安全隱患,是迄今為止惟一被嚴格證明是無條件安全的通信方式。而量子隱形傳態能實現物質全部信息的快速轉移和異地重構,在未來的遠距離量子通信以及分佈式量子計算中具有至關重要的作用。 不可能超光速 許多關於量子通信的新聞報道中,描繪過這樣一個圖景: 如果人們要實現文本、語音甚至圖像的量子通信,只需讓其利用量子糾纏就能瞬間傳遞,即超光速通信。實際上,這是一個誤區。 2014年5月, 《科學》雜誌發表的一篇論文,體現了通過量子糾纏傳遞信息的可能性。荷蘭代爾夫特理工大學羅納 德· 漢森(Ronald Hanson)等人的這篇文章中說,他們在國際上首次以一種可靠的方式實現了利用量子糾纏傳輸數據,雖然這個數據只有一個量子比特,傳輸的距離也只有3米。 他們把兩個糾纏的電子分別放在一個人工鑽石中氮原子取代碳原子構成的微型巢穴中,然後改變其中一個電子的自旋方向,這時候另一個電子的自旋方向也立刻改變了。目前,他們正在嘗試 把傳輸距離增加到1300米。 漢森教授說,他們方法的特點就是100% 有效,信息總是能夠保證到達目的地,而且是100%準確的。 這種量子糾纏所導致的兩粒子間的量子關聯,體現了一種“超光速通信”的可能性。但是,國際量子學界公認的事實是,單單只有體現量子態塌縮超光速的量子糾纏不可能以超光速的方式傳遞有效的信息,因為必須借助普通信道的協助方能真正通信。量子通信的優勢不在於即時,而在於其可以探知可能的被第三方竊聽的保密性。 潘建偉教授的啟蒙導師、奧地利維也納大學教授安東· 賽林格告訴財新記者,在量子隱形傳態過程中,必然涉及經典信息傳送,這也是信息被加密和解碼所必需的過程,量子密鑰分發可以在兩個站點之間建立隨機密碼,但密碼傳 遞過程需通過經典信道實現並受到光速限制。但未來在量子計算機內部,量子信息的交換可能不受光速限制。 北京計算科學研究中心量子光學與量子信息實驗室游建強教授告訴財新記者,很多人要轟動效應,強調超光速通信,這在科學上是不准確的, “完全通過量子糾纏,不可能傳遞所有的信號,糾纏是一個物理現象,不可能加載全部的信息。 ”中科大一位資深量子密碼專家告訴財新記者,超光速通信,從理論上說就是錯的。 他說,目前所謂的量子通信,不論是量子直接通信、量子密鑰分發還是隱形傳態,都要借助經典信道的輔助。早期,有人相信超光速通信,但是後來逐漸認識到,單獨用量子糾纏不能把全部信息傳遞過去,之前之所以有這個想法,可以說是對於愛因斯坦關於光速不變的假設的理解沒有完全到位。 潘建偉說,量子通信無論採取何種方式實現,都必不可少地需要經典通信技術的參與,因此並不存在所謂“超光速通信”一說。 不替代傳統通信 關於量子通信的又一個謎團,是它會不會顛覆甚至取代傳統的經典通信。科學家對此也給出否定的答案。 量子隱形傳態論文的六位作者之一、以色列理工學院物理系教授阿瑟·佩雷斯(Asher Peres)曾經在一篇回顧文章中說,在經典的 BB84協議中,需要通過光纖信道傳送一個量子比特,通過公開的經典信道傳送兩個經典比特,才能成功生成一個密鑰,在量子隱形傳態 過程中,需要一對糾纏粒子、一個量子比特和兩個經典比特。 他說,沒有經典信道的輔助,傳送的信息就是不完整的,但是如此一來就不能叫做量子隱形傳輸,也不會引起如此巨大的轟動。 “一個記者曾經問我,有沒有可能既傳送人的身體又傳送人的靈魂?我的回答是,只能傳送靈魂。 ”對於量子隱形傳態本身,國際學術界仍然存在爭議。 諾貝爾獎獲得者默里· 蓋爾曼(Murray Gell-Mann)就曾經說, “在新聞媒體和各種書籍中傳播著的主要歪曲在於暗指甚至明言,測量一個光子的偏振(圓偏振的或平面偏振的)會莫名其妙地影響另一個光子。實際上,這種測量並不會產生任何從一個光子傳到另一個光子的物理影響。 ”諾獎得主史蒂文· 溫伯格(Steven Weinberg)說 : “量子力學中糾纏的存在自然產生一個問題,在糾纏體系的一個部分上的測量是否可用于將消息發送到另一部分上,而不受有限光速設置的限制。不,不能被利用。 ”無論是量子密鑰分發還是量子隱形傳態,都需要經典信道的傳輸,也就是說量子通信不會完全替代現有的通信技術,量子通信網絡實際上是量子網絡和傳統信息傳輸網絡的結合。 正是量子密碼通信的特殊性,決定了它應該被應用到保密等級比較高的軍事、政治、金融等重點領域,而不是刻意與經典通信競爭。 一位量子密碼專家告訴財新記者,現在量子通信能夠做到的只有量子密碼,但是量子密碼牽涉國家的安全,因此非常重要。 “但是在日常老百姓生活中有多重要,還是要打一個問號。 ”在2012年的一次研討會上,清華大學教授王向斌表示,量子密鑰分發的實際產業化應用應該著眼于未來並注重定位,重點發展局域性的重點需求網絡,而不是強調現有網絡一樣的廣泛性和高功能效率。 在這次會議上,武漢郵電科學研究院總工程師、光纖通信技術和網絡國家重點實驗室主任余少華也指出,量子通信不會完全替代現有的通信技術,實際的量子通信中,量子通信與現有通信的融合是一個相互取長補短的過程。 量子安全戰爭 可以說,量子通信技術基於量子物理學的基本原理,克服了經典加密技術內在的安全隱患,是迄今為止惟一被嚴格證明是無條件安全的通信方式。但是,沒有任何事物是完美的,即便是在理論上完美無缺的量子通信。 在2008年,就有瑞典和挪威學者分別指出量子通信體系的漏洞。雖然這些並不是量子密碼原理的不完滿,而是系統的不適應,卻也讓人們對未來的量子通信體系留有一絲不確定。 龍桂魯教授說,量子通信從原理上可以保證安全,但實際上由於器件、單光子發射、探測等方面的缺陷,出現了種種攻擊手段。改善器件有一個過程,每一個階段有一定的發展水平。 問題主要出在器件上。雖然量子密鑰分發在理論上具有無條件安全性,但在現實條件下很難實現,導致現實的系統可能存在各種各樣的隱患。其中最主要的原因,是找不到理想的單光子光源,只能靠弱相干激光脈衝的衰減實現。 潘建偉介紹,2005年前,所有的基於弱相干脈衝的實驗都存在安全漏洞。 雖然英國、日本和中國都做到了100公里以上的量子密鑰分發,因為無法保證產生單光子,即便是在理想情況下,安全通信距離也只有10公里量級,且成碼率極低,不具有實用價值。 2003年,韓國學者黃元英使用弱相干激光的衰竭代替單光子光源的誘騙 態方案。此後,清華大學物理系教授王向斌和加拿大多倫多大學羅開廣研究小組,對這一方案分別做出重要的改進與發展,使得該方法能夠立即適用于現有成熟技術,獲得絕對安全的通信密碼。 此後,潘建偉團隊和美國洛斯· 阿拉莫斯實驗室在2007年幾乎同時實現了超過100公里的絕對安全的光纖誘騙態 量子密鑰分發。 在成功解決了非理想單光子源帶來 的安全性漏洞後,探測器的不完美性又成為“量子黑客”的主要攻擊點。國際上多個小組提出了“時間位移攻擊” “死時間攻擊”和“強光致盲攻擊”等針對 探測系統的攻擊方案。 “我們擺脫了不完美的光源,又受制于不完美的探測器。 ”潘建偉說。 2012年,羅開廣提出了與探測器無關的量子密鑰分發方案,然後潘建偉的團隊在第一時間實現了這一方案。這樣,現在的通信手段跟光源和探測器都是無關的,可以說是沒有漏洞了。 潘建偉說,因為 BB84協議需要完美的單光子,所以現在他們的方案相當于變種的 BB84協議,而羅開廣的方案又解決了探測器的問題,所以說到目前為止看起來就比較安全了,理論上看起來是比較完善的系統,比較令人滿意,但是技術上也很難說,可能某個地方細節上出一些問題。 量子通信可以說是相對最安全的,但任何事情都不是絕對的,有矛就有盾。 一方面,有“量子非克隆原理”;另一方面,有實現近似量子克隆的“量子克隆機” 。比如,在信道中將部分量子態截獲下來,這就是量子克隆機對量子密鑰分發的攻擊。 前述來自中科大的量子密碼專家指出,現在量子密碼的協議安全性能夠得到足夠的保證,只要設備是嚴格執行協議的就能保證安全。但是,要嚴格執行協議,設備有許多地方需要控制,沒法做絕對沒有問題的保證,只能說做到完美無缺就絕對安全,但實際上只能是近似的安全。 “量子的東西來對付傳統的方法,比較有優勢,但是新的攻擊總會出現,有量子的防守,也會有量子的攻擊。 ”他說,我們的安全手段在升級,敵人的攻擊手段也在升級,也產生了更多攻擊量子密碼的方法,戰爭還是戰爭,只是戰場發生了改變,所用的武器,攻擊的方法,要量子層面去打,傳統的方法還是有效,但是會開闢一些新的戰場,在這個戰場上,誰也沒有經驗。 “不要炒作量子通信” 賽林格教授說,目前對於量子通信發展的主要困難在於傳輸距離和效率,利用衛星和或量子中繼可以克服距離上的困難,這不僅對於建立全球網絡非常重要,對於發展新的技術也非常重要,但是傳輸效率的問題需要更好的糾纏源和更好的探測器,這需要更多技術上的進步。 但是,對於量子加密手段的實際安全性如何,仍有待更實在的證明。潘建偉則表示,目前在真實的量子通信系統中,系統遠遠比攻擊者強大,科學家假定竊聽者具有物理學原理所允許的所有能力,其實現實中可能性不大。 那麼,如果攻擊者真有這樣的能力怎麼辦?他說,團隊計劃請各種專家來攻擊,也許這是證明安全性的最好方法。 甚至會進行懸賞,誰能攻破就給他獎金。 “看人能否從理論上攻擊成功,我們據此對方案進行修改。京滬幹線做好之後,會評測和對抗。 ”他說。 財新記者採訪了多位專家,他們多用手機時代的“大哥大”來形容目前量子通信的發展水平。在他們看來,量子通信可以說基本上到了可用的階段,現在的應用還比較初級,以後的方向就是如何在更廣泛的領域取得大規模應用。 “剛有‘大哥大’的時候,我們就覺得很神奇但沒什麼用途,但今天的手機已經變成很普通的生活必需品,需要一個過程。 ”一位專家說。 最近股票市場比較火爆,甚至出現了量子通信概念股,但是也有清醒的人士認為,這只是一種望梅止渴式的炒作。 量子通信並沒有到能夠為上市公司創造價值的時候。 在潘建偉看來,這一現象反映了市場對量子通信技術的渴望和認可,說明量子通信具有顯而易見的戰略價值。然而, “量子通信能夠為上市公司創造價值”這一說法不妥,應該是通過市場機制、股市途徑等,將更多的社會資源用于支持量子通信技術的發展,使量子通信技術能夠更好地給予社會回報。 目前實用化的量子通信技術會對光電製造、通訊裝備製造、光通信,密碼和信息安全,基礎軟件和應用軟件等傳統信息技術產業起到提升作用。隨著更系統的量子信息技術的突破、成熟和發展,更廣泛的新興信息技術產業有望形成和快速壯大。 潘建偉指出,目前,國內的上市公司中沒有一家是真正從事量子通信技術研發和服務的,希望市場不要炒作這些概念股,而是去關注量子通信真正的發展情況。 |
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。■
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。■
A股市場最近特別青睞高科技,就在虛擬現實風頭正盛,石墨烯余溫尚在之際,量子通信概念在上周末炸響了A股市場。
一直不溫不火的量子通信,何以突然間大放異彩?或許與近期量子信息產業捷報頻傳有關。
上周,先是谷歌發布論文稱在一個特定的、精心設計的概念證明問題上,量子計算機相比於經典計算機實現了1億倍的速度提升;隨後,歐洲物理學新聞網站“物理世界”於12月11日公布了2015年度國際物理學領域的十項重大突破,中國科學技術大學教授潘建偉、陸朝陽等完成的科研成果“多自由度量子隱形傳態”入選並名列榜首。
量子通信一夜成名
量子通信並不是個全新的概念,此前在A股市場上鮮有人問津。最早券商關於量子通信的研報出自去年6月,不過寥寥兩篇。去年11月,興業證券力推4篇關於量子通信的研報,然並未受市場青睞。
而眼下,市場與機構態度有了180度轉變。東方財富Choice金融終端顯示,目前有關量子通信的研報共17篇,其中有9篇於今年12月11日後密集發布。安信證券分析師徐彪、李偉更是指出,哪怕錯過了虛擬現實,也不要錯過量子通信。徐彪於12月15日在安信證券年度策略會上更指出,量子通信產業仍是藍海,未來空間廣闊。
12月11日,量子通信這一概念快速走紅,中天科技、神州信息、福晶科技等相關概念股強勢飆升,福晶科技等尾盤漲停。在周末券商強烈唱多的激勵下,12月14日,神州信息、福晶科技、三力士等多只概念股直接開盤漲停。12月15日,量子通信指數漲5.43%,福晶科技、神州信息、華工科技漲停,藍盾股份漲近9%。
Wind資訊相關指數行情數據顯示,今年年初至12月14日,量子通信指數累計上漲102.61%,其中近一月的漲幅為12.47%;近60個交易日的漲幅為50.89%。指數涉及的12只概念股,年初至今累計漲幅均為正數,藍盾股份、三力士、福晶科技、中信國安年初至今表現不俗,累計漲幅分別為416.12%、144.6%、134.19%、110.07%。
上市公司布局量子通信
中信國安早在2010年開始布局量子通信。2010年其合營企業合肥有線電視寬帶網絡有限公司(中信國安持有合肥有線40%的股份)就參與了“合肥城城量子通信試驗示範網”的建設,給合肥實驗網項目提供光纜幹線。
作為量子通信概念股熱點之一的神州信息在2014年年報表示,旗下子公司神州數碼系統集成服務有限公司於去年年底中標“京滬幹線”室內聯調系統,成為推動國家信息技術安全可靠的重要支撐力量。安信證券分析師徐彪在近期研報中指出,神州信息“京滬幹線”量子通信工程開工建設,傳輸距離達2000多公里,主要承載政府公務信息、銀行金融系統等重要信息的保密傳輸,預計將於2016年交付。
神州信息近日表示,量子通信京滬幹線建設分為兩個階段:第一階段開展小規模系統的室內聯調,對幹線完成系統的功能、性能的先進性進行模擬、測試和驗證;第二階段是在此基礎上做全線實際環境的項目建設。目前相關項目正處於實施後期掃尾階段。
量子通信一夜成名,讓華工科技也有些按捺不住,於12月15日開盤前,在投資者互動平臺表示,量子點激光器是最新一代量子工程研究的成果,公司已開始工程實踐性研究,主要集中解決項目最前端的外延材料生長環境,包括MOCVD外延設備的引進,外延技術團隊的建設和外延技術的開發。華工科技在當日以漲停報收。
此外,目前A股市場上涉及量子通信概念的上市公司還有三力士、福晶科技、浙江東方、華夏幸福等。不過,這些公司多數在研發和項目未完成,未來是否會因此而受益仍存在不確定。如石墨烯題材概念在市場發酵數年,但其所謂能帶來的巨大利潤空間仍在“雲中”。
某券商資深投顧人士對《第一財經日報》表示,資本市場題材概念永遠比實際應用要早很多,量子通信目前階段以純題材炒作為主,但市場又偏偏喜歡新鮮的題材,回頭看炒作力度較大的VR與對比其技術應用可見一斑,量子通信算是網絡安全炒作的延伸。
券商唱多前已有資金潛伏
今年關於量子通信的研報共9篇,其中一篇於12月11日發布,而有6篇在12月14日密集發布。值得註意的是,在周末券商強烈唱多下,12月14日早盤,福晶科技、神州信息、三力士以漲停價開盤,不過隨後紛紛打開漲停板,部分個股出現跳水走勢。截至收盤,神州信息漲停、三力士則跌0.75%,福晶科技漲3.23%,上述個股的換手率均在10%以上,其中神州信息、三力士當日換手率超20%。
這意味著在券商唱多前,已有資金潛伏以期套利。那麽究竟是機構還是遊資或從龍虎榜中可一探究竟。
《第一財經日報》通過龍虎榜數據發現,機構持續買入三力士,而遊資雖然在12月11日大舉買入,但在12月14日又大舉出貨,其中包括光大證券寧波解放南路營業部、中信證券上海溧陽路營業部等營業部席位。而神州信息卻是另一番光景,近來不斷有機構出貨,而遊資洶湧接盤。福晶科技12月14日並未上龍虎榜,但從12月11日及12月15日的龍虎榜數據可以發現,也受到遊資關照。
12月11日,光大證券寧波解放南路營業部席位凈買入10212.48萬元,排在三力士買入金額席位首位;中信證券上海溧陽路營業部席位凈買入3407萬元;排買入金額席位第三。而在12月14日,光大證券寧波解放南路營業部席位又賣出11241.5萬元,為賣出席位首位。中信證券上海溧陽路營業部席位則在當日做T,買入7577.2萬元,賣出3643.88萬元。這兩日,機構席位則分別買入3549.34萬元、6608.8萬元。
神州信息於12月11日就已漲停,然當日賣出金額前三位均為機構席位,累計賣出金額達15566.46萬元,而買入金額首位也是一家機構席位,當日買入8982.84萬元;其次為華泰證券上海澳門路營業部席位買入3264萬元。12月14日,買入金額前五的有兩家機構席位,累計買入13509.41萬元,而賣出金額前五仍有三家機構席位,賣出金額累計達46614.15萬元,占總成交比17.32%。12月15日,買入金額前五的均為遊資,仍有兩家機構席位出現在賣出金額前五,累計賣出15413.74萬元。
在周末券商密集發出研報前,資金早已潛伏,機構與部分遊資在錄得漲停後紛紛選擇出貨。一位私募人士表示,目前量子通信模式還不成熟,產品還早,現在更像是在炒概念,不建議投資者跟風高位接盤,短期博弈存在風險。
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在長篇科幻小說《三體》中,人類在外星人的幫助下才實現量子通信,讓太空飛船與地球實時通信。但《三體》中的智子實屬作者的科幻想象,真實的量子糾纏並不是用來傳遞加密後的信息,而是應用於量子密鑰分發。“量子通信的核心並非改變通信或者加密方式本身,而是提供一個更加安全的密碼保密傳輸方式。”中國科學院上海微系統與信息技術研究所超導實驗室研究員尤立星博士告訴《第一財經日報》記者。
通常而言,信息的加密需要使用一連串數字組成的密鑰確保安全,但在傳輸過程中若被竊聽就可能被破譯。而量子密鑰具有不可克隆的特質,基於量子力學的測不準原理,如果密鑰在傳輸過程中遭遇竊聽,收發雙方就會知道,從而放棄使用不安全的密鑰。
作為新一代保密通信技術,量子保密通信基於量子信息傳輸的理論絕對安全性,成為各國科研的熱點領域之一。然而量子保密通信傳輸距離、碼率與所采用的單光子探測器的性能密切相關。與近紅外波段傳統半導體單子探測器相比,中國科學院超導電子學卓越創新中心研發的超導納米線單光子探測器(SNSPD),具有探測效率更高、暗計數率(所謂暗計數是單光子探測器的噪聲評判指標,指雜散光和黑體輻射被單光子探測器認作有效光子的概率,這種誤判被稱作暗計數)更低的優勢。
“傳統半導體單光子探測器探測效率低、暗計數高,量子通信距離達到50公里可以用,但100公里就很難了,超導單光子探測器可以實現200甚至300公里。”上海微系統與信息技術研究所副所長謝曉明博士向《第一財經日報》表示。作為量子通信的核心元器件,SNSPD依托的是超導電子學微納工藝技術。
超導是一種物質在低溫下體現出的特別現象,主要表現為電阻在一定的溫度下完全消失,通常為特定溫度下,變為零電阻,導電沒有了任何阻力,無電阻、抗磁性,超導技術蘊藏的市場應用潛力巨大。和已經成熟的半導體集成電路相比,超導電子器件的工藝成熟度還不夠,低溫工作環境對超導應用提出了更為嚴苛的要求。上海微系統所已建成了國際領先的低溫超導器件工藝平臺,可以生產高性能的超導薄膜材料,實現高可靠性的微納加工工藝和系統集成技術。
2014年,中科院上海微系統所與瑞士IDQuantique公司合作,正式推出了由上海微系統所研制的SNSPD器件產品,據悉這款只有3毫米見方的芯片售價約為1萬歐元,相當於一輛家用汽車的價格。這成為我國首次出口超導電子器件,也是為數不多的核心高端元器件出口的實例,突破了國外的技術封鎖。
量子通信之外,SNSPD器件應用於衛星激光測距等眾多領域。衛星激光測距是基於光子飛行時間的激光雷達的一個重要應用。即利用安置在地面觀測臺站的衛星激光測距系統所發射的激光脈沖,跟蹤觀測人造地球衛星,以測定觀測臺站到衛星之間的距離,在天文學、地球物理學、大地測量、地震預報和國防等方面都具有重要意義。
據尤立星介紹,衛星激光測量的精度取決於探測器的一個叫做時間抖動的參數,即穩定度。超導探測器的時間抖動很小,可以讓測距的精度從以往的cm精度提升到mm精度,幾千、幾萬公里甚至更遠的衛星和空間碎片都可以進行精準定位。
2015年,中科院上海微系統所和中科院上海天文臺合作,在國際上首次利用SNSPD開展532nm波長的衛星激光測距,利用上海天文臺佘山臺站的60cm口徑望遠鏡,雙方合作完成了對距離臺站3000公里國際聯測激光相對論衛星LARES的測距,精度達8mm。這是繼2013年美國NASA利用SNSPD開展1550nm波長衛星測距之後再次利用SNSPD開展衛星測距的報道。2016年初,經過進一步優化系統,測量能力獲得進一步提升,上海天文臺佘山臺站已成功觀測到近2萬公里的俄羅斯Glonass衛星,精度約2cm。
與高深莫測的量子通信、激光雷達、深空通信相比,超導技術在醫學方面的應用也許更接地氣。由於超導電子器件具備高靈敏度、低噪聲等優點,對於疾病的早期診斷優勢明顯。例如在心臟疾病診斷技術上,心電圖是最為廣泛使用的一種診斷技術,但由於心臟磁場信號特別微弱,心電圖技術所能得到的心臟電活動信息非常有限。例如心臟中的環狀電流在人體體表不產生電勢差,而這些被人體組織傳導所湮沒的信息,在原則上都不可能從心電圖中獲得。因此心電圖在病變的前期診斷準確率只有30%到40%。
中科院上海微系統所研發的多通道心磁圖儀將心臟疾病診斷準確率提升到了90%以上。心磁圖儀是通過檢測人體心臟磁場進行成像的一種心臟疾病診斷設備,系統配置的超導量子幹涉器件(SQUID)使測量磁場的靈敏度大幅提升,具有早期診斷能力好、無輻射、完全無創的特點,減少心臟病變的漏診率。
“目前可以檢測出成人的心磁圖譜,未來還將推出多通道胎兒心磁圖儀,有望用於20周前的胎兒心臟先天性疾病診斷,在妊娠階段可以發現病變盡早預防或幹預。”SQUID方向/心磁圖儀項目負責人孔祥燕研究員表示。
十多年來,我國已進口了幾套心磁系統,每套價格都在500萬~1000萬元人民幣之間,國外出售給我國的設備也負擔著為國外研究機構收集數據的任務,測得的數據被加密,只有原生產廠家才能分析,對病理數據的收集也受到國外的限制,建立臨床診斷的標準更是難上加難。
中科院上海微系統所歷時10年研發的心磁圖儀,擁有自主知識產權的相關軟件和硬件技術分別在上海市第六人民醫院、徐匯區中心醫院/中國科學院上海臨床研究中心、北京309醫院安裝,已經進入臨床研究,並正在聯合漫迪醫療儀器(上海)有限公司推進心磁圖儀工程化和產品註冊。
不過謝曉明也坦言,目前多通道心磁圖儀在市場推廣方面仍面臨一些難題。首先高技術門檻,使得前期的研發投入時間長、成本高。其次相較於心電圖技術,心磁圖儀的價格比較高。更為關鍵的是,心磁圖儀臨床靈敏度和特異性的檢測需要數據的積累,這就需要更多的醫院和醫生配合進行臨床測試,拿到高質量的應用數據。
為了推進市場的應用,中科院上海微系統所也在產品研發上做了折中的考慮。以往的心磁圖儀需要高性能的磁屏蔽室,單屏蔽室的搭建成本就需要300萬到500萬元,市場推廣難度可想而知。中科院上海微系統所采用了無屏蔽系統,加強儀器內部降噪能力,成本下降,市場應用門檻也相應降低。
對於未來的市場化應用謝曉明似乎並不擔憂,“從低端到高端到最後個性化定制,我們希望先取得用戶的認可。所有的核心技術都掌握在自己手里,我們會有一系列辦法降低成本,去做市場化的競爭。”