量子應用“大戲”拉開帷幕

構建通信網絡 解決計算難題
量子應用“大戲”拉開帷幕

8月16日，我國成功發射世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，將在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信。伴隨著“墨子號”的太空遠航，量子通信産業化發展進入了新的階段，千億級産業呼之欲出。量子通信能否成為引領我國信息技術跨越式發展的引擎？量子科技的力量又將撬動哪些新興産業發展？

加密信息無法破解

安全地進行信息傳遞是人類千百年來的夢想之一，然而即使在信息技術飛速進步的今天，安全通信也沒有完全實現。目前，保障通信安全的主要方法是加密信息，使竊取者即使複製了加密後的密文也無法讀取原文。但是這種方法遠不能保證建造“絕對安全”的通信系統。這是因為隨著計算科學和技術的發展，人類計算能力的提升速度和潛力已遠遠超過了最初的想象。經典密碼加密技術安全保障能力也顯得遠非人們預先估計得那麼可靠。

隨著量子通信技術的應用和普及，這些顧慮可能會被永遠“埋葬”。因為量子通信是迄今唯一被嚴格證明為無條件安全的通信方式。據量子科學實驗衛星項目首席科學家潘建偉介紹，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，發送方和接收方採用單光子的狀態作為信息載體來建立密鑰。由於單光子不可分割，竊聽者無法截取“半個光子”來獲取密鑰信息；而未知的量子態又無法被精確複製，竊聽者一旦試圖對其測量或複製，量子的狀態會改變，從而必然被接受者察覺並規避。因此，無論是現在還是將來，無論破譯者掌握了多麼先進的竊聽技術、多強大的破譯能力，只要量子力學規律成立，由量子通信建立起的加密信息就無法被破解。

彎道超車引領發展

如今，量子通信的實用化和産業化已經成為包括歐盟、美國、日本和中國等國家和地區爭相追逐的目標。

今年4月份，歐盟宣佈將投入10億歐元支持包括量子通信、量子計算、量子探測等在內的量子技術旗艦項目；美國同樣不甘落後，美國國防部支持的“高級研究與發展活動”計劃將量子通信應用拓展到衛星通信、城域以及長距離光纖網絡。今年5月份，美國國家科學基金會（NSF）將“下一代量子革命”作為未來六大科研前沿之一，而就在這個月，NSF又斥資1200萬美元資助量子保密通信技術的研究；日本也提出了自己的量子信息技術長期研究戰略。

潘建偉告訴記者，在全球量子通信競賽中，我國科學家在發展可實用量子通信技術方面開展了深入研究，在産業化預備方面一直處於國際領先水平。“目前我國在量子通信領域已經實現‘彎道超車’，並成為首個將量子科學實驗衛星送入太空的國家。”潘建偉説。

在國際上首次實現安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發、實現國際上首個全通型量子通信網絡、建成首個規模化量子通信網絡……國際權威期刊《自然》雜誌評價説，“這標誌著中國在量子通信領域的崛起，從十年前不起眼的國家發展為世界勁旅，將領先於歐洲和北美”。

經過30多年的發展，量子通信技術已經從實驗室演示走向産業化和實用化，目前正在朝著高速率、遠距離、網絡化的方向快速發展。

“要真正實現實用化的量子通信，我們還將發射功能更好、數量更多的量子衛星，它們將組成量子衛星的星座。就像目前的北斗系統提供導航服務一樣，未來的量子衛星星座，會將量子保密通信技術普及到個人。那時，人們就再也不必擔心自己的網絡賬號被竊取、銀行卡資金被盜刷了。”潘建偉説。

新興産業“芝麻開門”

“墨子號”的升空讓天地一體的廣域量子網絡指日可待。一個天地一體的全球化量子通信基礎設施構建成功後，能為未來的互聯網提供基於量子通信技術的安全保障。

中科院院士、中國科學院物理研究所研究員于淥表示，量子通信必將大有可為，量子科學實驗衛星發射成功，結合地面即將建成的“京滬幹線”千公里級廣域量子通信骨幹網絡，我國將初步構建一個天地一體的廣域量子通信體系。這會解決很多實際問題，並且為全球性量子通信網絡的構建打下基礎。

潘建偉説，當前我國量子通信研究已經吸引了各國的量子物理學家，歐洲美洲的量子物理學家們紛紛求合作。“‘墨子號’將先由中國科學家推出第一批實驗成果，一年後再與歐洲合作。”潘建偉透露，目前奧地利等國已和我們簽訂合作協議，德國、意大利和加拿大等國也正與我國洽談合作事宜。

除了量子保密通信外，量子科技的其他應用也將大大改變人類的生活，比如通過量子計算，不僅可以解決氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探等所需的大規模計算難題，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導、量子霍爾效應等複雜的物理機制。

無限商機正吸引著越來越多的産業資本。目前，量子通信行業逐漸形成了包括核心器件製造商、通信設備製造商、通信網絡運營與應用商和傳輸網絡建設四部分的産業鏈格局。據多家投資機構預計，未來量子通信將在金融、遠距離通信等多領域展開應用，潛在市場廣闊，有望成為規模超千億元的行業。

“隨著量子技術的發展，未來五年，量子科技將在金融、通信等領域率先得到應用，十年後大的機構可能會參與進來，也許十五年後，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會無處不在。”潘建偉説。

“墨子號”正在太空遙望著地球，這一場量子應用的“大戲”才剛剛啟幕。（記者 杜芳）