量子應(yīng)用“大戲”拉開帷幕

8月16日，我國(guó)成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，將在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。伴隨著“墨子號(hào)”的太空遠(yuǎn)航，量子通信產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)入了新的階段，千億級(jí)產(chǎn)業(yè)呼之欲出。量子通信能否成為引領(lǐng)我國(guó)信息技術(shù)跨越式發(fā)展的引擎？量子科技的力量又將撬動(dòng)哪些新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展？

加密信息無法破解

安全地進(jìn)行信息傳遞是人類千百年來的夢(mèng)想之一，然而即使在信息技術(shù)飛速進(jìn)步的今天，安全通信也沒有完全實(shí)現(xiàn)。目前，保障通信安全的主要方法是加密信息，使竊取者即使復(fù)制了加密后的密文也無法讀取原文。但是這種方法遠(yuǎn)不能保證建造“絕對(duì)安全”的通信系統(tǒng)。這是因?yàn)殡S著計(jì)算科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，人類計(jì)算能力的提升速度和潛力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了最初的想象。經(jīng)典密碼加密技術(shù)安全保障能力也顯得遠(yuǎn)非人們預(yù)先估計(jì)得那么可靠。

隨著量子通信技術(shù)的應(yīng)用和普及，這些顧慮可能會(huì)被永遠(yuǎn)“埋葬”。因?yàn)榱孔油ㄐ攀瞧裎ㄒ槐粐?yán)格證明為無條件安全的通信方式。據(jù)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目首席科學(xué)家潘建偉介紹，量子不可分割、不可克隆，從原理上保證了信息的不可竊聽和不可破解。

在量子通信過程中，發(fā)送方和接收方采用單光子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰。由于單光子不可分割，竊聽者無法截取“半個(gè)光子”來獲取密鑰信息；而未知的量子態(tài)又無法被精確復(fù)制，竊聽者一旦試圖對(duì)其測(cè)量或復(fù)制，量子的狀態(tài)會(huì)改變，從而必然被接受者察覺并規(guī)避。因此，無論是現(xiàn)在還是將來，無論破譯者掌握了多么先進(jìn)的竊聽技術(shù)、多強(qiáng)大的破譯能力，只要量子力學(xué)規(guī)律成立，由量子通信建立起的加密信息就無法被破解。

彎道超車引領(lǐng)發(fā)展

如今，量子通信的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為包括歐盟、美國(guó)、日本和中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)爭(zhēng)相追逐的目標(biāo)。

今年4月，歐盟宣布將投入10億歐元支持包括量子通信、量子計(jì)算、量子探測(cè)等在內(nèi)的量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目；美國(guó)同樣不甘落后，美國(guó)國(guó)防部支持的“高級(jí)研究與發(fā)展活動(dòng)”計(jì)劃將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)。今年5月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）將“下一代量子革命”作為未來六大科研前沿之一，而就在這個(gè)月，NSF又斥資1200萬美元資助量子保密通信技術(shù)的研究；日本也提出了自己的量子信息技術(shù)長(zhǎng)期研究戰(zhàn)略。

潘建偉告訴筆者，在全球量子通信競(jìng)賽中，我國(guó)科學(xué)家在發(fā)展可實(shí)用量子通信技術(shù)方面開展了深入研究，在產(chǎn)業(yè)化預(yù)備方面一直處于國(guó)際領(lǐng)先水平。“目前我國(guó)在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)‘彎道超車’，并成為首個(gè)將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星送入太空的國(guó)家。”潘建偉說。

在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)、實(shí)現(xiàn)國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、建成首個(gè)規(guī)模化量子通信網(wǎng)絡(luò)……國(guó)際權(quán)威期刊《自然》雜志評(píng)價(jià)說，“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美”。

經(jīng)過30多年的發(fā)展，量子通信技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室演示走向產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化，目前正在朝著高速率、遠(yuǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。

“要真正實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的量子通信，我們還將發(fā)射功能更好、數(shù)量更多的量子衛(wèi)星，它們將組成量子衛(wèi)星的星座。就像目前的北斗系統(tǒng)提供導(dǎo)航服務(wù)一樣，未來的量子衛(wèi)星星座，會(huì)將量子保密通信技術(shù)普及到個(gè)人。那時(shí)，人們就再也不必?fù)?dān)心自己的網(wǎng)絡(luò)賬號(hào)被竊取、銀行卡資金被盜刷了。”潘建偉說。

新興產(chǎn)業(yè)“芝麻開門”

“墨子號(hào)”的升空讓天地一體的廣域量子網(wǎng)絡(luò)指日可待。一個(gè)天地一體的全球化量子通信基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建成功后，能為未來的互聯(lián)網(wǎng)提供基于量子通信技術(shù)的安全保障。

中科院院士、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員于淥表示，量子通信必將大有可為，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功，結(jié)合地面即將建成的“京滬干線”千公里級(jí)廣域量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)將初步構(gòu)建一個(gè)天地一體的廣域量子通信體系。這會(huì)解決很多實(shí)際問題，并且為全球性量子通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建打下基礎(chǔ)。

潘建偉說，當(dāng)前我國(guó)量子通信研究已經(jīng)吸引了各國(guó)的量子物理學(xué)家，歐洲美洲的量子物理學(xué)家們紛紛求合作。“‘墨子號(hào)’將先由中國(guó)科學(xué)家推出第一批實(shí)驗(yàn)成果，一年后再與歐洲合作。”潘建偉透露，目前奧地利等國(guó)已和我們簽訂合作協(xié)議，德國(guó)、意大利和加拿大等國(guó)也正與我國(guó)洽談合作事宜。

除了量子保密通信外，量子科技的其他應(yīng)用也將大大改變?nèi)祟惖纳睿热缤ㄟ^量子計(jì)算，不僅可以解決氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探等所需的大規(guī)模計(jì)算難題，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜的物理機(jī)制。

無限商機(jī)正吸引著越來越多的產(chǎn)業(yè)資本。目前，量子通信行業(yè)逐漸形成了包括核心器件制造商、通信設(shè)備制造商、通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)與應(yīng)用商和傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)四部分的產(chǎn)業(yè)鏈格局。據(jù)多家投資機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，未來量子通信將在金融、遠(yuǎn)距離通信等多領(lǐng)域展開應(yīng)用，潛在市場(chǎng)廣闊，有望成為規(guī)模超千億元的行業(yè)。

“隨著量子技術(shù)的發(fā)展，未來5年，量子科技將在金融、通信等領(lǐng)域率先得到應(yīng)用，10年后大的機(jī)構(gòu)可能會(huì)參與進(jìn)來，也許15年后，量子加密芯片就可以惠及大眾。將來在人類生活中，來自量子世界的果實(shí)會(huì)無處不在。”潘建偉說。

“墨子號(hào)”正在太空遙望著地球，這一場(chǎng)量子應(yīng)用的“大戲”才剛剛啟幕。