2020 年 10 月 30 日，眾所周知，量子科技，火了，香了。但到底它能飄香十里、百里，還是千里？我們來(lái)聊一聊。
老科技 新話題
量子力學(xué)的歷史可以追溯到 1877 年，玻爾茲曼在一篇文章中提出了 “能量單元”的概念。
量子科技在我國(guó)也發(fā)展了很多年，比如 2016 年發(fā)布的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》。
在本《規(guī)劃》中多個(gè)條目與量子科技相關(guān)，例如：量子通信與量子計(jì)算機(jī)、量子反?；魻栃?yīng)、量子信息、量子導(dǎo)航、量子調(diào)控。
同樣在 “十二五”規(guī)劃中也有《量子調(diào)控研究國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃 “十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》。
在 2006 年科技部發(fā)布《國(guó)家 “十一五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，其中也有 “量子糾纏”等條目，量子科技在此時(shí)就已經(jīng)漸漸進(jìn)入到人們的視線中。
從成果方面來(lái)說(shuō)，2009 年世界首個(gè)量子政務(wù)網(wǎng)在蕪湖建成，這已經(jīng)標(biāo)志著我國(guó)量子保密通信技術(shù)已經(jīng)正式步入應(yīng)用軌道。
另外早在 2004 年，憑借光學(xué)干涉環(huán)的技術(shù)的幫助下，中國(guó)首次解決了量子密鑰分配過(guò)程的穩(wěn)定性問(wèn)題。在 2007 年 3 月，郭光燦研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了量子路由器，解決了量子信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)尋址的難題。
由此可見(jiàn)，我國(guó)在量子通信領(lǐng)域早已取得了相當(dāng)?shù)某晒?/p>
量子科技是什么？
首先一個(gè)問(wèn)題，何為量子？
簡(jiǎn)而言之就是：分割世間萬(wàn)物的最小單元。（如果存在的話）
舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，就像我們?nèi)コ匈I(mǎi)可樂(lè)。
超市的可樂(lè)很多是整箱賣(mài)的，有的是 6 罐一箱，有的是 12 罐一箱。當(dāng)然在零售區(qū)也有一罐一罐賣(mài)的可樂(lè)。
在這個(gè)例子一罐可樂(lè)就是可樂(lè)的 “最小單元”。因?yàn)槌胁豢赡苜u(mài)半罐，或者四分之一罐。
光子是一種量子，光子就是光的 “最小單元”。不存在半個(gè)光子或者四分之一個(gè)光子。
那么什么是量子科技呢？
廣義上來(lái)說(shuō)與量子相關(guān)的科技都可以算作量子科技，狹義上大家經(jīng)常討論的 “量子科技”主要是指量子信息。
在量子信息中，目前比較熱門(mén)的領(lǐng)域?yàn)椋毫孔佑?jì)算、量子通信。
量子計(jì)算
在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，我們用的是 “比特”，以 “0”和 “1”為基礎(chǔ)構(gòu)筑萬(wàn)物。而在量子計(jì)算機(jī)中用的則是 “量子比特”，比起傳統(tǒng) “比特”的 0、1，對(duì)于 “量子比特”則是無(wú)窮。
量子具有一個(gè)神奇的特性叫做疊加，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明吧。在我們喝咖啡時(shí)都會(huì)加一些牛奶，牛奶和咖啡的比例往往決定了咖啡的口感。
那么現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了，因?yàn)榭Х群团Ｄ淌强梢圆捎萌我獗壤旌系?，那么我們改變比例是不是就有可能?chuàng)造出新的咖啡呢？按照這個(gè)思路，如果我們不斷改變牛奶和咖啡的比例就可以創(chuàng)造無(wú)窮多種新式咖啡了。
咖啡和牛奶的混合就像量子的 “疊加態(tài)”，對(duì)于傳統(tǒng) “比特”只有兩種選擇，對(duì)于 “量子比特”就有了無(wú)窮多種選擇，這樣一來(lái)一個(gè)量子比特可以包含比一個(gè)經(jīng)典比特大得多的信息量，而這也是量子計(jì)算的基礎(chǔ)。
量子計(jì)算目前可以用于解決一些特定的數(shù)學(xué)問(wèn)題，比如因數(shù)分解。
什么是因數(shù)分解呢？
比如一個(gè)因數(shù) 14，就可以分解成 2×7=14，這種分解結(jié)果是唯一的。（1*14 算不上 “分解”）
而正是因?yàn)檫@樣，因數(shù)分解可以作為加密解密的手段。比如一把加密鎖上寫(xiě)著 “求 14 的因數(shù)”，而你就可以用 2 和 7 這兩把鑰匙去開(kāi)鎖了。
可能有些人覺(jué)得 “14”分解很簡(jiǎn)單，甚至不用草稿紙就能解決。那么嘗試分解一下 “2^67-1”也就是 147,573,952,589,676,412,927。
其因數(shù)分解的結(jié)果為 193,707,721×761,838,257,287，但是如果只是算這兩個(gè)數(shù)的乘積，敲入計(jì)算器幾秒就可以得到答案，即使是用草稿紙也算不了多少時(shí)間。因數(shù)分解就是這樣一個(gè)易守難攻的問(wèn)題，因此它被廣泛應(yīng)用于加密領(lǐng)域。
那么量子計(jì)算機(jī)能做什么呢？對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算方式來(lái)說(shuō)分解一個(gè) 5000 位的數(shù)需要大概 50 億年，對(duì)于量子計(jì)算，可能只是兩分鐘的事。
當(dāng)然以上描述是理論上的數(shù)據(jù)，量子計(jì)算機(jī)還需要發(fā)展很久才可能達(dá)到這個(gè)水平。
2019 年谷歌宣稱(chēng)量子霸權(quán)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，他們首次在實(shí)驗(yàn)中證明了量子計(jì)算機(jī)對(duì)于傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性。這件事在學(xué)術(shù)界具有里程碑式的意義，但從商業(yè)和應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)暫時(shí)不會(huì)造成太大的影響。
首先量子霸權(quán)是指量子計(jì)算機(jī)對(duì)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)。目前量子計(jì)算主要用于解決特定的數(shù)學(xué)問(wèn)題，也就是說(shuō)這個(gè)優(yōu)勢(shì)只是針對(duì)解決特定的數(shù)學(xué)問(wèn)題。另外谷歌的 “量子霸權(quán)”是邁出了第一步，但還是沒(méi)到 “商業(yè)可用”的地步。
量子通信
量子通信其實(shí)應(yīng)該叫做量子保密通信，重點(diǎn)是保密而不是通信?；蛘吒鞔_的說(shuō)是量子密鑰分發(fā)加傳統(tǒng)通信。也就是說(shuō)一些傳統(tǒng)通信的供應(yīng)商也可以算作量子通信的相關(guān)企業(yè)。
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)保密通信最重要的步驟是先讓通信雙方先共享一串密碼，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行加密。
“絕對(duì)安全”是人類(lèi)保密通信行業(yè)夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，克勞德 · 艾爾伍德 · 香農(nóng)在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)證明了如何達(dá)到 “絕對(duì)安全”。
需要滿(mǎn)足以下三個(gè)條件：
* 密鑰隨機(jī)：用完全隨機(jī)的方式生成秘鑰，連信息發(fā)送者也不知道會(huì)生成什么密鑰。
* 一次一密：每次發(fā)送消息時(shí)密鑰只使用一次，用過(guò)即作廢，下次不再使用這個(gè)密鑰了。
* 密鑰長(zhǎng)度不低于明文：密鑰長(zhǎng)度至少要和發(fā)送信息等長(zhǎng)甚至更長(zhǎng)，比如我們發(fā)送 1MB 的文件，密鑰也至少要 1MB。
傳統(tǒng)通信是不能做到所謂的 “絕對(duì)安全”，比如在傳統(tǒng)通信中，雙方共享密碼可以通過(guò)一種 “秘密渠道”，但傳統(tǒng)通信并不能保證秘密渠道不被竊聽(tīng)。更麻煩的是秘密渠道被竊聽(tīng)之后，使用者幾乎不能發(fā)覺(jué)。
而量子通信則可以解決這些問(wèn)題。比如單光子傳輸?shù)牧孔油ㄐ?，因?yàn)閱喂庾泳哂胁豢煞指钚院蛦喂庾恿孔討B(tài)的測(cè)量塌縮性，這樣就可以讓別人偷不走信息，被竊聽(tīng)之后還能立刻發(fā)現(xiàn)。
應(yīng)用
如果說(shuō)量子計(jì)算是最強(qiáng)的矛，那量子通信就是最強(qiáng)的盾。矛可以用來(lái)破解密碼，盾可以加密信息。
從前景上說(shuō)，量子計(jì)算未來(lái)有可能被用于：數(shù)據(jù)處理、人工智能、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前量子計(jì)算離 “真正實(shí)用”還有一定的距離。
而對(duì)于量子通信，其要點(diǎn)在于保密，那么它的主要用戶(hù)就是對(duì)保密有極高需求的單位了，比如軍隊(duì)、政府、銀行、金融機(jī)構(gòu)。
以工商銀行為例，其在 2015 年就已經(jīng)應(yīng)用了北京同城間的量子保密通信。
其在 2017 年應(yīng)用了京滬異地千公里級(jí)的量子加密傳輸。
雖然有不少單位已經(jīng)開(kāi)始使用量子通信，但因?yàn)槌杀镜仍?，市?chǎng)規(guī)模實(shí)際上還是很狹小。以國(guó)盾量子為例，2020 年 1-6 月其合并利潤(rùn)表中營(yíng)業(yè)收入為 16,061,167.36 。
▲截取自國(guó)盾量子招股書(shū)
其在招股書(shū)上也提到了市場(chǎng)推廣的困難。就目前來(lái)說(shuō)量子通信的商業(yè)化發(fā)展還處于初期階段。
除了高昂的價(jià)格，現(xiàn)有的量子通信產(chǎn)品在穩(wěn)定性方面也略遜于傳統(tǒng)密碼產(chǎn)品，這也會(huì)減緩量子通信產(chǎn)品的推廣速度。
▲數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)盾量子 2020 年半年度報(bào)告
▲數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)盾量子 2020 年半年度報(bào)告
因?yàn)檫@些原因，量子通信行業(yè)很多公司即使是在政府補(bǔ)貼的情況下短期內(nèi)也難逃虧損的命運(yùn)。但從長(zhǎng)期來(lái)看，量子通信未來(lái)可期。
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