量子科技，香飄幾里？

作者| 薛定諤的咸魚

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？我們來聊一聊。

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量子力學的歷史可以追溯到1877年，玻爾茲曼在一篇文章中提出了“能量單元”的概念。

量子科技在我國也發(fā)展了很多年，比如2016年發(fā)布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》。

在本《規(guī)劃》中多個條目與量子科技相關，例如：量子通信與量子計算機、量子反常霍爾效應、量子信息、量子導航、量子調控。

同樣在“十二五”規(guī)劃中也有《量子調控研究國家重大科學研究計劃“十二五”專項規(guī)劃》。

在2006年科技部發(fā)布《國家“十一五”科學技術發(fā)展規(guī)劃》，其中也有“量子糾纏”等條目，量子科技在此時就已經(jīng)漸漸進入到人們的視線中。

從成果方面來說，2009年世界首個量子政務網(wǎng)在蕪湖建成，這已經(jīng)標志著我國量子保密通信技術已經(jīng)正式步入應用軌道。

另外早在2004年，憑借光學干涉環(huán)的技術的幫助下，中國首次解決了量子密鑰分配過程的穩(wěn)定性問題。在2007年3月，郭光燦研究團隊發(fā)明了量子路由器，解決了量子信號在網(wǎng)絡中自動尋址的難題。

由此可見，我國在量子通信領域早已取得了相當?shù)某晒?/p>

量子科技是什么？

首先一個問題，何為量子？

簡而言之就是：分割世間萬物的最小單元。（如果存在的話）

舉個例子來說，就像我們去超市買可樂。

超市的可樂很多是整箱賣的，有的是6罐一箱，有的是12罐一箱。當然在零售區(qū)也有一罐一罐賣的可樂。

在這個例子一罐可樂就是可樂的“最小單元”。因為超市不可能賣半罐，或者四分之一罐。

光子是一種量子，光子就是光的“最小單元”。不存在半個光子或者四分之一個光子。

那么什么是量子科技呢？

廣義上來說與量子相關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，目前比較熱門的領域為：量子計算、量子通信。

量子計算

在傳統(tǒng)計算機中，我們用的是“比特”，以“0”和“1”為基礎構筑萬物。而在量子計算機中用的則是“量子比特”，比起傳統(tǒng)“比特”的0、1，對于“量子比特”則是無窮。

量子具有一個神奇的特性叫做疊加，舉個例子來說明吧。在我們喝咖啡時都會加一些牛奶，牛奶和咖啡的比例往往決定了咖啡的口感。

那么現(xiàn)在問題來了，因為咖啡和牛奶是可以采用任意比例混合的，那么我們改變比例是不是就有可能創(chuàng)造出新的咖啡呢？安裝這個思路，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)”，對于傳統(tǒng)“比特”只有兩種選擇，對于“量子比特”就有了無窮多種選擇，這樣一來一個量子比特可以包含比一個經(jīng)典比特大得多的信息量，而這也是量子計算的基礎。

量子計算目前可以用于解決一些特定的數(shù)學問題，比如因數(shù)分解。

什么是因數(shù)分解呢？

比如一個因數(shù)14，就可以分解成2×7=14，這種分解結果是唯一的。（1*14算不上“分解”）

而正是因為這樣，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著“求14的因數(shù)”，而你就可以用2和7這兩把鑰匙去開鎖了。

可能有些人覺得“14”分解很簡單，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)分解的結果為193,707,721×761,838,257,287，但是如果只是算這兩個數(shù)的乘積，敲入計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間。因數(shù)分解就是這樣一個易守難攻的問題，因此它被廣泛應用于加密領域。

那么量子計算機能做什么呢？對于傳統(tǒng)計算方式來說分解一個5000位的數(shù)需要大概50億年，對于量子計算，可能只是兩分鐘的事。

當然以上描述是理論上的數(shù)據(jù)，量子計算機還需要發(fā)展很久才可能達到這個水平。

2019年谷歌宣稱量子霸權已經(jīng)實現(xiàn)，他們首次在實驗中證明了量子計算機對于傳統(tǒng)架構計算機的優(yōu)越性。這件事在學術界具有里程碑式的意義，但從商業(yè)和應用角度來說暫時不會造成太大的影響。

首先量子霸權是指量子計算機對比傳統(tǒng)計算機的優(yōu)勢。目前量子計算主要用于解決特定的數(shù)學問題，也就是說這個優(yōu)勢只是針對解決特定的數(shù)學問題。另外谷歌的“量子霸權”是邁出了第一步，但還是沒到“商業(yè)可用”的地步。

量子通信

量子通信其實應該叫做量子保密通信，重點是保密而不是通信?；蛘吒鞔_的說是量子密鑰分發(fā)加傳統(tǒng)通信。也就是說一些傳統(tǒng)通信的供應商也可以算作量子通信的相關企業(yè)。

點對點保密通信最重要的步驟是先讓通信雙方先共享一串密碼，以此為基礎進行加密。

“絕對安全”是人類保密通信行業(yè)夢寐以求的目標，克勞德·艾爾伍德·香農在上個世紀就已經(jīng)證明了如何達到“絕對安全”。

需要滿足以下三個條件：

*密鑰隨機：用完全隨機的方式生成秘鑰，連信息發(fā)送者也不知道會生成什么密鑰。

*一次一密：每次發(fā)送消息時密鑰只使用一次，用過即作廢，下次不再使用這個密鑰了。

*密鑰長度不低于明文：密鑰長度至少要和發(fā)送信息等長甚至更長，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“絕對安全”， 比如在傳統(tǒng)通信中，雙方共享密碼可以通過一種“秘密渠道”，但傳統(tǒng)通信并不能保證秘密渠道不被竊聽。更麻煩的是秘密渠道被竊聽之后，使用者幾乎不能發(fā)覺。

而量子通信則可以解決這些問題。比如單光子傳輸?shù)牧孔油ㄐ?，因為單光子具有不可分割性和單光子量子態(tài)的測量塌縮性，這樣就可以讓別人偷不走信息，被竊聽之后還能立刻發(fā)現(xiàn)。

應用

如果說量子計算是最強的矛，那量子通信就是最強的盾。矛可以用來破解密碼，盾可以加密信息。

從前景上說，量子計算未來有可能被用于：數(shù)據(jù)處理、人工智能、生物醫(yī)藥等領域。目前量子計算離“真正實用”還有一定的距離。

而對于量子通信，其要點在于保密，那么它的主要用戶就是對保密有極高需求的單位了，比如軍隊、政府、銀行、金融機構。

以工商銀行為例，其在2015年就已經(jīng)應用了北京同城間的量子保密通信。

其在2017年應用了京滬異地千公里級的量子加密傳輸。

雖然有不少單位已經(jīng)開始使用量子通信，但因為成本等原因，市場規(guī)模實際上還是很狹小。以國盾量子為例，2020年1-6月其合并利潤表中營業(yè)收入為16,061,167.36 。

截取自國盾量子招股書

其在招股書上也提到了市場推廣的困難。就目前來說量子通信的商業(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，這也會減緩量子通信產(chǎn)品的推廣速度。

數(shù)據(jù)來自國盾量子2020年半年度報告

數(shù)據(jù)來自國盾量子2020年半年度報告

因為這些原因，量子通信行業(yè)很多公司即使是在政府補貼的情況下短期內也難逃虧損的命運。但從長期來看，量子通信未來可期。

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