陶娟

作為絕對保密安全的通信措施，量子通信的作用不僅在于提供新的信息傳輸方式，更重要的意義在于防范尚在研制中的量子計算機。歐美走在了具有進攻性的量子計算領(lǐng)域前列，而中國則在防御性質(zhì)的量子通信上處于第一梯隊。未來誰將率先實現(xiàn)技術(shù)的完全突破？

量子力學(xué)和相對論被稱為現(xiàn)代物理最基本的兩大支柱，盡管量子理論十分高深，但人們還是在應(yīng)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(xué)有著千絲萬縷的關(guān)聯(lián)，可以說量子力學(xué)推動和造就了現(xiàn)代社會。

量子通信，是最新令人心醉神迷的應(yīng)用之一。2013年6月1日，世界頂尖科學(xué)刊物《自然》子刊《光子學(xué)》以封面論文的形式，刊登了由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合小組完成的一項實驗結(jié)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(xiàn)了自由空間的量子態(tài)隱形傳輸。2015年2月，中國工商銀行宣布成功應(yīng)用量子通信技術(shù)，實現(xiàn)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(yīng)

即使在物理界，量子理論也是一場“不情愿的革命”?！暗谝淮温犝f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(xué)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。在量子世界里，存在一種奇妙的量子“糾纏”運動狀態(tài)。共同來源的兩個量子，當其中一個狀態(tài)發(fā)生變化時，另一個無論距離有多遠，也會發(fā)生相應(yīng)的變化。通俗點來說，它們彼此間存在“心靈感應(yīng)”。利用量子糾纏效應(yīng)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于“觀測”會干擾它的狀態(tài)，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(tài)還是既生又死，不生不死（宏觀上讓人完全無法接受的狀態(tài)），只有開啟了盒子，當你觀測這只貓時，它的狀態(tài)才會塌陷成生或死，這使得科學(xué)家們得以構(gòu)建量子密碼的概念。此外，量子態(tài)還具備不可克隆的性質(zhì)，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復(fù)制量子比特攜帶的信息時，量子的狀態(tài)已經(jīng)發(fā)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(lǐng)域也充滿了可能，其既可應(yīng)用于金融機構(gòu)的隱匿通信等工程，也可用于對電網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)、自來水網(wǎng)等重要能源供給和民生網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)視和通信保障。根據(jù)興業(yè)證券研究所的測算，此領(lǐng)域市場空間將超過千億元。

量子通信PK量子計算機

現(xiàn)代通訊已足夠發(fā)達，量子通信之所以受到格外重視，更重要的作用是防范也尚處于概念中的“量子計算機”。

量子通信和量子計算是量子理論應(yīng)用中目前最為前沿和熱鬧的領(lǐng)域，《科學(xué)》和《自然》雜志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(xué)家們就已經(jīng)開始設(shè)想，用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計算機來模擬量子現(xiàn)象，從而大幅度減少運算時間。

現(xiàn)代銀行通訊的加密方式一般基于大數(shù)分解，它們之所以安全，是因為利用傳統(tǒng)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(shù)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(tǒng)芯片的速度障礙，幫助運行極為復(fù)雜的動態(tài)模擬，比如氣候變化模型或幫助新藥物研發(fā)等；但同時也能輕而易舉地摧毀現(xiàn)代文明中安全的一切。銀行賬戶、各種網(wǎng)絡(luò)密碼，甚至發(fā)射導(dǎo)彈的軌道參數(shù)等，量子計算機都將如“超級神偷”般分分鐘將它們破解。

能夠?qū)沽孔佑嬎銠C可能帶來的威脅的，就只有量子通信。清華大學(xué)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(fā)揮不出作用”。它們之間的戰(zhàn)斗，并非存在于遙遠的未來，美國科學(xué)家預(yù)言量子計算機將在50年之后出現(xiàn)。而IBM則預(yù)計未來10-15年，就可以制成可靠的量子計算機。

科學(xué)引領(lǐng)資本的產(chǎn)業(yè)較量

雖然它們還都處于概念中，但量子通信和量子計算的比拼正酣，是量子計算這只進攻之“矛”先出鞘，還是量子通信的防御之“盾”先出爐？眼下無人知曉答案。只是，無論哪派技術(shù)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(shù)的國家無疑也將占盡先機。從物理學(xué)界到政府，從風(fēng)投到產(chǎn)業(yè)資本，都在密切關(guān)注著每個方向的進展。

在量子態(tài)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(shù)米的距離內(nèi)成功進行了傳輸實驗。而2011年由中科大等機構(gòu)在青海湖完成的97公里量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，是目前地球上量子態(tài)在自由空間中能隱形傳輸?shù)淖钸h距離。

產(chǎn)業(yè)化的萌芽也在初現(xiàn)，中國在量子通信方面，無論是科技還是應(yīng)用都處于第一梯隊。中國在《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》中將“量子調(diào)控”列入重大基礎(chǔ)研究計劃。2000年，中國科學(xué)院院士郭光燦研究組憑借“利用光腔制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(xué)家沙吉·哈羅徹因此獲得了2012年諾貝爾物理學(xué)獎。2010年后，合肥、濟南等地已經(jīng)建成了城域量子通信試驗示范網(wǎng)，按照相關(guān)規(guī)劃，北京、上海以及最邊遠的新疆烏魯木齊等城市都在陸續(xù)抓緊城域量子通信網(wǎng)的建設(shè)，首顆量子通信實驗衛(wèi)星也將于近兩年內(nèi)發(fā)射。

最新引發(fā)量子通信熱潮的安徽量子通信技術(shù)有限公司，則是由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)領(lǐng)頭創(chuàng)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(quán)（附表）。正是該公司幫助工行實現(xiàn)了同城加密傳輸，根據(jù)官網(wǎng)簡介，安徽量子通信是中國最大的量子通信設(shè)備制造商和系統(tǒng)服務(wù)提供商，擁有中國最多的量子通信領(lǐng)域技術(shù)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(quán)投資合伙企業(yè)等新投資人進入，注冊資本由3330萬元增至3958萬元。

相比量子通信方面的優(yōu)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(zhàn)略地位。其軍事委員會將半導(dǎo)體量子芯片列為未來九大戰(zhàn)略研究的第二位，集中了包括英特爾、IBM等半導(dǎo)體界巨頭以及哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、桑迪亞國家實驗室等著名研究機構(gòu)，組織各部門跨學(xué)科統(tǒng)籌攻關(guān)，投入巨資并將其稱作“微型曼哈頓計劃”，重要性直接比擬二戰(zhàn)時期的原子彈研發(fā)計劃。2014年9月，谷歌宣布旗下的量子人工智能實驗室將與美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校專家聯(lián)合開發(fā)量子計算技術(shù)。

目前開發(fā)出首個可商用量子計算機的D-wave公司為加拿大企業(yè)。其號稱已開發(fā)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(shù)三緘其口，引發(fā)學(xué)術(shù)界諸多質(zhì)疑，但并不乏豪客為其前景買單。2015年1月末，D-wave宣布獲得了新一輪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(fēng)投機構(gòu)In-Q-Tel、貝索斯探險（Bezos Expeditions）以及德豐杰等，總?cè)谫Y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(fā)的量子計算機幫助檢驗飛行控制系統(tǒng)。D-Wave公司的另一個合作伙伴是1QBit公司，后者試圖利用量子計算機創(chuàng)建金融運算法則，并且已取得進展。