量子科技，下一个时代？
时间：2020-12-17 11:48:14 来源：达达文档网 本文已影响 人 
向治霖
自从去年9月，谷歌宣布实现“量子霸权”以后，量子科技的发展明显变快了。
竞逐的国家选手基本就位。只看今年，美国在5月发布了“量子网络的战略构想”，布局通用量子计算机的未来。德国方面，在6月拟投了20亿欧元，扶持一系列科技行业，其中，就有对量子技术的实用化研究。到了7月，韩国三星联手SK电讯，推出了全球第一款5G量子通信手机。
中国也没落后。政策上，国家支持的力度不小，在今年10月，中央政治局组织了集体学习，内容是关于量子科技的研究和应用前景。
实用化方面，尤其在“量子通信”的应用上，了解该领域的人都知道，中国一直在领先地位。
大国都在布局量子科技，这不是巧合。從技术的发展上看，未来可能有重大突破的，就是量子科技的领域。有人提出，它可能是下一个“工业革命”，这意味着 ，它将带来一个新的时代。
不过，形成鲜明对比的是，普通人对它似乎不感兴趣，量子科技遭遇了“官热民冷”。追究起来，量子科技伟则伟矣，但是太“高冷”了，不少人还没明白，它到底是个啥。
翻车了？
让人心酸又好笑的是，量子科技的实用化，它给人的第一印象似乎很坏。
早在11月12日，国盾量子联手中国电信，推出了一款“民用”的国产量子通信手机，据媒体报道，它或将在今年底明年初上市。然而，这则消息淹没于网络，并没有激起什么水花。
到了11月24日，这款手机正式亮相了，但它招致的，更多是质疑与嘲笑。
在当天的乌镇互联网之光博览会，官媒“侠客岛”的记者介绍这部手机，在微博起了标题《量子安全手机，你见过吗？》。热度第一的评论却是，“咳，量子鞋垫我都见过”。
其它的评论也附和说，“不稀奇，很多保健品都是量子的”，“一听到量子，就知道是老骗子了”。更有人笃定地说，“但凡沾上量子两个字的，没有不是骗子的”。
这也难怪网友过激。“量子波动阅读”的魔性场面，至今还令人印象深刻，“量子+”保健品的搭配，更是层出不穷久矣。—量子力学本身就难懂，多年来的噱头营销，让消费者对它敬而远之。
“别问，问就是量子力学”，“别问，问就是平行世界”，以及另一个流行语“遇事不决，量子力学”，调侃的都是同一类事实：太多浮夸或者虚假的商业行为，将好好的理论，变成了玄学。
但是这一次，来的是真家伙。
量子通信手机，并不只是中国有。今年5月，韩国的三星联合SK电讯，发布了量子通信手机Galaxy A Quantum，半年内的销量据说有30万台。
同样是“制造商+运营商”的搭配，国盾量子和中国电信推出的这部，叫国盾安全手机（A2021H），目前公开的机型是由中兴手机改造而来。
中国电信自不必说。国盾量子，全名“科大国盾量子技术股份有限公司”，发源于中科大、在科创板有“量子第一股”称号，是一家量子科技公司。事实上，早在2018年，国盾量子就推出全球首款量子通信手机，但它以政企用户为主。
解决了信任问题，用户们仍需了解，“量子通信手机”究竟是什么？
如果仔细留意，会发现这款手机“改名”了。最早推出时，媒体称它“量子通信手机”，但在官网和博览会亮相时，它又叫“量子安全手机”。
用词的差异，有偷梁换柱的嫌疑，但是，这不是企业的“锅”。
如果顾名思义，“量子通信”应该是指，利用量子承载和传输信息，但“量子通信手机”还做不到。现在的它，只用到了量子加密技术。
也就是说，用户拿它打电话时，使用的仍然是经典通信，但通话的内容多了一层“量子密码”。所以，量子安全手机的说法更准确。下文将区分“量子通信”和“量子加密通信”，而两者的混淆，是因为最早投入商用时，舆论命名的失误。
“半成品”
如果是叫“量子安全手机”，它的特点也就明显了，安全，“无条件的安全”。意思是说，使用它收发的信息，无论谁也不能破解。
因为“量子加密”的实现，是依据量子的物理特性决定的。
而量子的特性，就是“玄学”的一部分了。最大的原因是，量子级别的微观世界里，许多现象违背生活的常识。其次，对这些现象的解释，现在的知识还很初级，很多时候“知其然，不知其所以然”。
“别问，问就是量子力学”，“别问，问就是平行世界”，以及另一个流行语“遇事不决，量子力学”，调侃的都是同一类事实：太多浮夸或者虚假的商业行为，将好好的理论，变成了玄学。
但“知其然”也是很够用的，量子有三个经典的特性，它们都和“量子通信”有关。
一是叠加态。薛定谔的猫，依然是最经典的比喻，假设盒子中有一只猫，那么在现实生活中，我们打开这个盒子，就可以知道这只猫是死是活。但如果这只猫具有量子特性，我们在打开盒子时，它有可能是活的，有可能是死的。盒子没有打开前呢？这只猫处在死与活的两种状态。这就是叠加态。
二是纠缠性。假设有两只猫，它们是纠缠态的一对量子，那么，无论它们相隔多远，在我们打开其中一只猫的盒子时，发现它是活的，另一只猫也一定是活的（或死的）。也就是说，我们确定了一只猫的状态，就能确定另一只猫的状态，无论这两只猫相隔多远。
三是量子不可克隆原理。既死又活的一只猫，在盒子打开的那刻，它的状态确定了。那就意味着，我们无法在观测过后，克隆出原先状态的另一只猫。
量子的这些奇妙特点，让它成为绝佳的加密工具。
信息学的鼻祖香农提出，有一种加密方法，可以确保无法破解。它要具备三个条件：一是密码的字符串随机生成。二是密码与明文一样长，甚至更长，明文就是要保护的信息。三是“一次一密”，每一次加密都换新的密码。
但要知道，密码是牢不可破了，可如果接收方也无法解密，那就没有意义。因此，要将解密的办法（密钥）发给对方，还要保证过程的安全。这一点，量子加密通信实现了。
如何实现的？利用光子的不同偏振态进行编码。在通信成功时，双方产生相同的一串随机数（密钥）。接着，用密钥加密明文，双方就可以进行加密通话。
为什么是“无条件安全”？在这里，量子的特性起了作用。由于传输时的光子是叠加态的，那么，即便它被盗取，也不能形成密钥。—盗取无用。
另外，由于量子的不可克隆原理，窃听者无法造出相同状态的一批光子，也就不能“狸猫换太子”诱骗密码。当然，要盗取发送的全部光子，本身就是不可能的。
量子的特性决定，这种密钥分发的技术不会被破解。但这尚属理论的范畴，实验室里实现了多少，是另一回事。落到用户手里的技术有多少，更是另一回事。
第一步
即将上市的量子安全手机，野心不小，但目标似乎定得不高。中国电信相关人士接受媒体采访时说，计划在未来5年内，量子加密通信的用户增加到100万左右。
才100万？比起中国的手机用户数量，几乎可以忽略不计。
其实，这也是不得已，量子通信网络的建设，毕竟刚刚开始。截至目前，公开报道的量子通信网络，只有2017年建成的“京沪干线”，以及一颗2016年发射的量子卫星“墨子号”。
硬件虽然少，但在当时看来，初步建成了“天—地”一体化通信网络。对继续研究和改进技术来说，或许是够用了。据“中科院之声”2017年的一篇文章介绍，“京沪干线”全线路密钥率大于20kbps，可以满足上万用户的密钥分发业务需求。
但现在，量子加密通信要投入民用，“基础设施”的不足，想必会是很大的掣肘。所以，理论的归理论，目前能对用户端实现的，在技术上有所“减配”。
据《经济观察报》报道，量子密钥的分发，一方面是通过建设量子保密通信网络进行广域的分发，另一方面，借助基于国产密码芯片和国密算法的量子安全sim卡，完成对密钥在手机里的植入。后一种情况，就属于减配版量子加密通信。
因此，量子科技实用化迈出的这一步，很难有乐观的预期。首先，目前的经典通信也有很强的加密技术，对于“无条件安全”，有多少用户是“刚需”呢？
更重要的是，对普通人而言，这项技术吸引力很小。第一，普通人首先要面对，它从听起来酷炫的“量子通信”，降级为“量子加密通信”。第二，技术层面上，现在还没有实现“量子中继”，要借助经典通信的中继站，就不是实际的“无条件安全”。第三，量子加密通信的基础设施还很少。第四，技术在手机端的进一步“减配”。
如此看来，五年内争取到100万用户，这个目标虽然小，但是却是务实的。
量子安全手机在此刻出现，更容易让人感受到的，是它的象征意义：量子科技，从此开始走入寻常生活。
在路上
或许可以换种说法，量子安全手机不是“当下”的产品，它更像是一款面向未来需求的手机。
尤其是在去年9月，谷歌实现量子霸权后，“无条件的安全”通信，其必要性更明显了。这是因为，量子霸权一旦实用化，其强大的算力可能破解现在的加密技术（只是可能性，现在学界亦有争议）。
量子安全手机在此刻出现，更容易让人感受到的，是它的象征意义：量子科技，从此开始走入寻常生活。
量子霸权也叫量子优势，属于“量子计算”领域。它的意思是，在一些特定的算法上，量子计算机比经典计算机有碾压式的优势。
优势有多大？谷歌在去年宣布时说，在解决一个算法时，目前最强的经典计算机需要计算10000年，而他们的53位量子比特的计算机，只需要3分20秒。
其中的差距，来自量子比特与经典比特的不同。因为量子的特性，一个量子比特可以同时是1或0，而经典比特只能是1或0。这就导致，n个经典比特，只能承载一个信息，而n个量子比特，可以承载2的n次方个信息。
因为这个特性，量子在计算与存储领域有巨大潜力。目前知道的是，在理论上，因式分解两个大素数的乘积值，是量子计算所擅长的。
然而，这个理论上可破解的算法，正是目前最流行的经典加密技术“RSA加密”。那就是说，如果现在有一台通用量子计算机，那么对它而言，网络上大部分的真实信息都在“裸奔”。
RSA算法被量子计算破解，现在还只是在理论上的，大可不必感到焦虑。而且，要制造有实用价值的量子计算机，它要經过的路，不见得比量子通信短。这些，都只是正在发展的未来技术。
但很明显，未雨绸缪是必要的。
量子科技应用还有很多，除了加密技术和量子计算，最具有科幻感的就是“量子隐形传态”了，它是基于量子纠缠的一个应用设想。
如果量子纠缠存在，那么对纠缠态的一对量子，无论它们距离多远，都可以把a处的状态，“传送”到b处。
是否有些熟悉？对，严格来说，它才应该叫量子通信技术。但在目前，它远远不能实用化。
未来正在路上，但这条路要走多久，尚未可知。11月18日，在一个高峰论坛上，中国科学院院士潘建伟说，量子加密通信的大规模商用，以及可用的量子计算机的实现，据他预计，大概要有20～30年时间。
量子科技的发展比想象中快。对今天的人来说，完全无法想象的事物，正在加速变成现实。
但这也不奇怪了。毕竟，如果我们回到30年前，在上世纪90年代的中国，人们使用的还是1G网络的“大哥大”呢。
