量子科技，下一個時代？

向治霖

自從去年9月，谷歌宣布實現“量子霸權”以后，量子科技的發展明顯變快了。

競逐的國家選手基本就位。只看今年，美國在5月發布了“量子網絡的戰略構想”，布局通用量子計算機的未來。德國方面，在6月擬投了20億歐元，扶持一系列科技行業，其中，就有對量子技術的實用化研究。到了7月，韓國三星聯手SK電訊，推出了全球第一款5G量子通信手機。

中國也沒落后。政策上，國家支持的力度不小，在今年10月，中央政治局組織了集體學習，內容是關于量子科技的研究和應用前景。

實用化方面，尤其在“量子通信”的應用上，了解該領域的人都知道，中國一直在領先地位。

大國都在布局量子科技，這不是巧合。從技術的發展上看，未來可能有重大突破的，就是量子科技的領域。有人提出，它可能是下一個“工業革命”，這意味著 ，它將帶來一個新的時代。

不過，形成鮮明對比的是，普通人對它似乎不感興趣，量子科技遭遇了“官熱民冷”。追究起來，量子科技偉則偉矣，但是太“高冷”了，不少人還沒明白，它到底是個啥。

翻車了？

讓人心酸又好笑的是，量子科技的實用化，它給人的第一印象似乎很壞。

早在11月12日，國盾量子聯手中國電信，推出了一款“民用”的國產量子通信手機，據媒體報道，它或將在今年底明年初上市。然而，這則消息淹沒于網絡，并沒有激起什么水花。

到了11月24日，這款手機正式亮相了，但它招致的，更多是質疑與嘲笑。

在當天的烏鎮互聯網之光博覽會，官媒“俠客島”的記者介紹這部手機，在微博起了標題《量子安全手機，你見過嗎？》。熱度第一的評論卻是，“咳，量子鞋墊我都見過”。

其它的評論也附和說，“不稀奇，很多保健品都是量子的”，“一聽到量子，就知道是老騙子了”。更有人篤定地說，“但凡沾上量子兩個字的，沒有不是騙子的”。

這也難怪網友過激?！傲孔硬▌娱喿x”的魔性場面，至今還令人印象深刻，“量子+”保健品的搭配，更是層出不窮久矣。—量子力學本身就難懂，多年來的噱頭營銷，讓消費者對它敬而遠之。

“別問，問就是量子力學”，“別問，問就是平行世界”，以及另一個流行語“遇事不決，量子力學”，調侃的都是同一類事實：太多浮夸或者虛假的商業行為，將好好的理論，變成了玄學。

但是這一次，來的是真家伙。

量子通信手機，并不只是中國有。今年5月，韓國的三星聯合SK電訊，發布了量子通信手機Galaxy A Quantum，半年內的銷量據說有30萬臺。

同樣是“制造商+運營商”的搭配，國盾量子和中國電信推出的這部，叫國盾安全手機（A2021H），目前公開的機型是由中興手機改造而來。

中國電信自不必說。國盾量子，全名“科大國盾量子技術股份有限公司”，發源于中科大、在科創板有“量子第一股”稱號，是一家量子科技公司。事實上，早在2018年，國盾量子就推出全球首款量子通信手機，但它以政企用戶為主。

解決了信任問題，用戶們仍需了解，“量子通信手機”究竟是什么？

如果仔細留意，會發現這款手機“改名”了。最早推出時，媒體稱它“量子通信手機”，但在官網和博覽會亮相時，它又叫“量子安全手機”。

用詞的差異，有偷梁換柱的嫌疑，但是，這不是企業的“鍋”。

如果顧名思義，“量子通信”應該是指，利用量子承載和傳輸信息，但“量子通信手機”還做不到?，F在的它，只用到了量子加密技術。

也就是說，用戶拿它打電話時，使用的仍然是經典通信，但通話的內容多了一層“量子密碼”。所以，量子安全手機的說法更準確。下文將區分“量子通信”和“量子加密通信”，而兩者的混淆，是因為最早投入商用時，輿論命名的失誤。

“半成品”

如果是叫“量子安全手機”，它的特點也就明顯了，安全，“無條件的安全”。意思是說，使用它收發的信息，無論誰也不能破解。

因為“量子加密”的實現，是依據量子的物理特性決定的。

而量子的特性，就是“玄學”的一部分了。最大的原因是，量子級別的微觀世界里，許多現象違背生活的常識。其次，對這些現象的解釋，現在的知識還很初級，很多時候“知其然，不知其所以然”。

“別問，問就是量子力學”，“別問，問就是平行世界”，以及另一個流行語“遇事不決，量子力學”，調侃的都是同一類事實：太多浮夸或者虛假的商業行為，將好好的理論，變成了玄學。

但“知其然”也是很夠用的，量子有三個經典的特性，它們都和“量子通信”有關。

一是疊加態。薛定諤的貓，依然是最經典的比喻，假設盒子中有一只貓，那么在現實生活中，我們打開這個盒子，就可以知道這只貓是死是活。但如果這只貓具有量子特性，我們在打開盒子時，它有可能是活的，有可能是死的。盒子沒有打開前呢？這只貓處在死與活的兩種狀態。這就是疊加態。

二是糾纏性。假設有兩只貓，它們是糾纏態的一對量子，那么，無論它們相隔多遠，在我們打開其中一只貓的盒子時，發現它是活的，另一只貓也一定是活的（或死的）。也就是說，我們確定了一只貓的狀態，就能確定另一只貓的狀態，無論這兩只貓相隔多遠。

三是量子不可克隆原理。既死又活的一只貓，在盒子打開的那刻，它的狀態確定了。那就意味著，我們無法在觀測過后，克隆出原先狀態的另一只貓。

量子的這些奇妙特點，讓它成為絕佳的加密工具。

信息學的鼻祖香農提出，有一種加密方法，可以確保無法破解。它要具備三個條件：一是密碼的字符串隨機生成。二是密碼與明文一樣長，甚至更長，明文就是要保護的信息。三是“一次一密”，每一次加密都換新的密碼。

但要知道，密碼是牢不可破了，可如果接收方也無法解密，那就沒有意義。因此，要將解密的辦法（密鑰）發給對方，還要保證過程的安全。這一點，量子加密通信實現了。

如何實現的？利用光子的不同偏振態進行編碼。在通信成功時，雙方產生相同的一串隨機數（密鑰）。接著，用密鑰加密明文，雙方就可以進行加密通話。

為什么是“無條件安全”？在這里，量子的特性起了作用。由于傳輸時的光子是疊加態的，那么，即便它被盜取，也不能形成密鑰?！I取無用。

另外，由于量子的不可克隆原理，竊聽者無法造出相同狀態的一批光子，也就不能“貍貓換太子”誘騙密碼。當然，要盜取發送的全部光子，本身就是不可能的。

量子的特性決定，這種密鑰分發的技術不會被破解。但這尚屬理論的范疇，實驗室里實現了多少，是另一回事。落到用戶手里的技術有多少，更是另一回事。

第一步

即將上市的量子安全手機，野心不小，但目標似乎定得不高。中國電信相關人士接受媒體采訪時說，計劃在未來5年內，量子加密通信的用戶增加到100萬左右。

才100萬？比起中國的手機用戶數量，幾乎可以忽略不計。

其實，這也是不得已，量子通信網絡的建設，畢竟剛剛開始。截至目前，公開報道的量子通信網絡，只有2017年建成的“京滬干線”，以及一顆2016年發射的量子衛星“墨子號”。

硬件雖然少，但在當時看來，初步建成了“天—地”一體化通信網絡。對繼續研究和改進技術來說，或許是夠用了。據“中科院之聲”2017年的一篇文章介紹，“京滬干線”全線路密鑰率大于20kbps，可以滿足上萬用戶的密鑰分發業務需求。

但現在，量子加密通信要投入民用，“基礎設施”的不足，想必會是很大的掣肘。所以，理論的歸理論，目前能對用戶端實現的，在技術上有所“減配”。

據《經濟觀察報》報道，量子密鑰的分發，一方面是通過建設量子保密通信網絡進行廣域的分發，另一方面，借助基于國產密碼芯片和國密算法的量子安全sim卡，完成對密鑰在手機里的植入。后一種情況，就屬于減配版量子加密通信。

因此，量子科技實用化邁出的這一步，很難有樂觀的預期。首先，目前的經典通信也有很強的加密技術，對于“無條件安全”，有多少用戶是“剛需”呢？

更重要的是，對普通人而言，這項技術吸引力很小。第一，普通人首先要面對，它從聽起來酷炫的“量子通信”，降級為“量子加密通信”。第二，技術層面上，現在還沒有實現“量子中繼”，要借助經典通信的中繼站，就不是實際的“無條件安全”。第三，量子加密通信的基礎設施還很少。第四，技術在手機端的進一步“減配”。

如此看來，五年內爭取到100萬用戶，這個目標雖然小，但是卻是務實的。

量子安全手機在此刻出現，更容易讓人感受到的，是它的象征意義：量子科技，從此開始走入尋常生活。

在路上

或許可以換種說法，量子安全手機不是“當下”的產品，它更像是一款面向未來需求的手機。

尤其是在去年9月，谷歌實現量子霸權后，“無條件的安全”通信，其必要性更明顯了。這是因為，量子霸權一旦實用化，其強大的算力可能破解現在的加密技術（只是可能性，現在學界亦有爭議）。

量子安全手機在此刻出現，更容易讓人感受到的，是它的象征意義：量子科技，從此開始走入尋常生活。

量子霸權也叫量子優勢，屬于“量子計算”領域。它的意思是，在一些特定的算法上，量子計算機比經典計算機有碾壓式的優勢。

優勢有多大？谷歌在去年宣布時說，在解決一個算法時，目前最強的經典計算機需要計算10000年，而他們的53位量子比特的計算機，只需要3分20秒。

其中的差距，來自量子比特與經典比特的不同。因為量子的特性，一個量子比特可以同時是1或0，而經典比特只能是1或0。這就導致，n個經典比特，只能承載一個信息，而n個量子比特，可以承載2的n次方個信息。

因為這個特性，量子在計算與存儲領域有巨大潛力。目前知道的是，在理論上，因式分解兩個大素數的乘積值，是量子計算所擅長的。

然而，這個理論上可破解的算法，正是目前最流行的經典加密技術“RSA加密”。那就是說，如果現在有一臺通用量子計算機，那么對它而言，網絡上大部分的真實信息都在“裸奔”。

RSA算法被量子計算破解，現在還只是在理論上的，大可不必感到焦慮。而且，要制造有實用價值的量子計算機，它要經過的路，不見得比量子通信短。這些，都只是正在發展的未來技術。

但很明顯，未雨綢繆是必要的。

量子科技應用還有很多，除了加密技術和量子計算，最具有科幻感的就是“量子隱形傳態”了，它是基于量子糾纏的一個應用設想。

如果量子糾纏存在，那么對糾纏態的一對量子，無論它們距離多遠，都可以把a處的狀態，“傳送”到b處。

是否有些熟悉？對，嚴格來說，它才應該叫量子通信技術。但在目前，它遠遠不能實用化。

未來正在路上，但這條路要走多久，尚未可知。11月18日，在一個高峰論壇上，中國科學院院士潘建偉說，量子加密通信的大規模商用，以及可用的量子計算機的實現，據他預計，大概要有20～30年時間。

量子科技的發展比想象中快。對今天的人來說，完全無法想象的事物，正在加速變成現實。

但這也不奇怪了。畢竟，如果我們回到30年前，在上世紀90年代的中國，人們使用的還是1G網絡的“大哥大”呢。