在這項新技術上，中國領先全球
中國科技一直以來被所有人詬病，山寨，抄襲儼然成為中國產業界避之不及的標籤。然而經過這麼些年的奮戰，中國在某些技術領域取得了不錯的成果。如高鐵、特高壓電網等。本文要談到的量子通信也是中國的一項特出成就。
據報道，全球首條量子通信商用幹線——「滬杭保密幹線」將於九月建成。這代表著中國在量子通信領域的一大突破。
我們來談一下這個好像聽過，又不甚了解的新技術。
什麼是量子通信
首先要強調一點，量子通信跟光纖通信、寬頻通信不同概念的。後兩者是一種通信載體。而量子通信只是在通信過程中起加密作用。
至於量子通信的概念，可以從廣義和狹義兩個維度分析。
從廣義上說，量子通信是基於量子力學的基本原理，使用微觀粒子做載體，實現一些經典通信無法實現的任務。包括很多方面，其中量子密鑰分發可以提供 Information theoretical security的保密通信，量子態隱形傳輸可以在不傳輸粒子本身的情況下，傳輸未知量子態，量子密集編碼可以提高單粒子攜帶的信息量等。
而從狹義上說，量子通信希望解決的是通信的安全性問題。傳統上說，信息需要加密才能安全，加密的方式有很多，唯一被證明了是「絕對安全」的密碼體系，是所謂的一次一密。所謂的一次一密，就是要求用於加密的密鑰長度與被加密的明文長度相同。所以若要達到這種加密標準，那麼就要有很多很多的密鑰，而且密鑰要安全。
明確一下，量子保密通信乾的事情並不是加密，而是把密鑰分配給需要保密通信的雙方，密文的發送仍然可以通過標準的通信手段來完成。明確了量子保密通信的任務之後，這個過程要保證的就是首先要能夠在A B兩人之間實現密鑰的分配，其次要保證分配的過程中不會使未授權的第三方得到密鑰的內容。
上述任務的完成就是藉助了量子力學的基本特性，簡單的說可以說基於量子態不可克隆原理和海森堡測不準原理。
不可克隆說的是不存在量子態的複印機，能夠實現量子態的完美複製（不完美是可以的）。
測不準就是說你對量子態進行的測量很有可能改變它的狀態。比如原來是1，可能測完就變成0.5了。
有了以上兩個定理作為利器，我們就可以進行量子密鑰分配了。
這種新型的通訊方式，是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和資訊理論相結合的新的研究領域。量子通信具有高效率和絕對安全等特點，是目前國際量子物理和信息科學的研究熱點。
追溯量子通信的起源，還得從愛因斯坦的「幽靈」——量子糾纏的實證說起。
1982年，法國物理學家艾倫·愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子「量子糾纏」（quantum entanglement）的現象確實存在，這一結論對西方科學的主流世界觀產生了重大的衝擊。 從笛卡兒、伽利略、牛頓以來，西方科學界主流思想認為，宇宙的組成部份相互獨立，它們之間的相互作用受到時空的限制（即是局域化的）。
量子糾纏證實了愛因斯坦的幽靈——超距作用（spooky action in a distance）的存在，它證實了任何兩種物質之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深層次的內在聯繫。
在量子糾纏理論的基礎上，1993年，美國科學家C.H.Bennett提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。量子通信是由量子態攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通信過程。量子通信概念的提出，使愛因斯坦的「幽靈（Spooky）」 ——量子糾纏效益開始真正發揮其真正的威力。
在貝內特提出量子通信概念以後，6位來自不同國家的科學家，基於量子糾纏理論，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案，即將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子製備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原處，這就是量子通信最初的基本方案。
量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且可以用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。
中國研究者的後來居上
上面提到，在貝爾特提出了量子通信的概念以後，有科學家開始對這個新技術進行了研究。在後來，有個叫潘建偉的奧地利中國留學生加入了這個行列。並取得了特別的成就。
我們先說一下他取得的成績，再來回顧一下其歷程。
1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子信息的「狀態」，作為信息載體的光子本身並不被傳輸。
從雅坑村到奧地利
1970年3月，潘建偉出生在浙江省東陽市馬宅鎮雅坑村，先後畢業於馬宅鎮雅坑小學（青聯公社第一名），吳寧鎮中（全年級第一名），1987年高考時候，他本有機會被保送到浙江大學讀當時的熱門專業。但他說「如果接受保送，可能就無法繼續我的物理夢了。」也就是在那一年，那年潘建偉考入中國科技大學近代物理系。
1996年，在中國科學技術大學獲得理論物理碩士學位後，潘建偉投身奧地利維也納大學蔡林格教授門下攻讀博士學位。彼時，導師正組織量子信息實驗研究方面第一個國際合作項目。此前，量子信息一直處在理論研究階段，還沒有實驗支撐。
而潘建偉腦子裡也正醞釀著一個實驗方案。一個月後，他覺得方案成熟了，便興奮地向研究小組裡報告他的設想。然而，報告結束後全組沒一個人說話。好半天，蔡林格教授問：「潘，你不知道這就是量子態隱形傳輸的理論方案嗎?你不知道我們另一個小組正在做這個實驗嗎?」
潘建偉確實不知道，但他認為這是上天的眷顧。他堅定地對導師說：「我要加入這個實驗!」
1997年，題為「實驗量子隱形傳態」的研究論文在《自然》雜誌上發表。該成果被公認為量子信息實驗領域的開山之作，被歐洲物理學會和美國物理學會評為世界物理學年度重大進展，被美國《科學》雜誌評為年度全球十大科技進展，還被《自然》雜誌選為「百年物理學21篇經典論文」之一，而作為論文的第二作者潘建偉，這一年剛剛27歲。
入職中科大
2001年，潘建偉回到中國科大工作。當時無論是研究水平還是人才儲備方面，國內的基礎都很薄弱。
潘建偉在與他的同學楊濤教授一道組織科研隊伍、開展實驗室建設的同時，還繼續在維也納大學從事多光子糾纏方面的合作研究。國內研究組成果出得很快，僅2003年一年，作為第一單位發表在《物理評論快報》的論文就有7篇。
2004年，潘建偉研究組在國際上首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸。《自然》雜誌發表了這一成果並稱讚說，儘管五粒子糾纏的實現非常困難，但是中國科學技術大學的潘建偉教授和他的同事們完成了這一壯舉。這種新穎的量子態隱形傳輸是量子糾錯和分散式量子信息處理所需要的關鍵技術。這一成果同時入選歐洲物理學會和美國物理學會評選出的年度國際物理學重大進展。這對中國科學家來說是第一次。
「很自豪!這表明國內研究組在量子糾纏方面的工作已經成功躍居國際領先水平。」潘建偉說，「我可以離開維也納了。」
此後，潘建偉以瑪麗·居里講席教授的身份到德國海德堡大學從事量子存儲的合作研究。潘建偉說：「海德堡大學的冷原子研究處於國際領先地位，我們必須把別人的看家本領學到手。」
幾年下來，潘建偉團隊在冷原子量子存儲方面形成了豐富的人才和技術積累，取得了一系列國際領先的研究成果。2008年，《自然》雜誌發表了潘建偉和他的同事完成的題為「量子中繼器實驗實現」的研究成果。《自然》雜誌稱讚該工作「掃除了量子通信中的一大絆腳石」。
打造一級科研團隊
回國後，潘建偉致力於將不同學科背景的年輕人送出國門，到德國、英國、美國、瑞士、奧地利等量子信息研究的優秀國際小組加以鍛煉。這些被「放飛」國外多年的年輕人，如同風箏收線一般，悉數回國，使中國科技大學團隊得到了空前的壯大。
「我們已經是一個有國際影響力的團隊，他們在這裡大有用武之地。」潘建偉領導的中國科大合肥微尺度物質科學國家實驗室量子物理與量子信息研究部可謂人才濟濟，光是「青年千人計劃」教授、「百人計劃」教授就有十來個。
成果累累
潘建偉帶領研究團隊取得了多個令人驚羨的「第一」：實驗實現了16公里自由空間量子態隱形傳輸，創造了當時量子態隱形傳輸距離的世界紀錄，證明了基於自由空間進行遠距離量子通信的可行性;在國際上首次實驗實現了八光子薛定諤貓態，刷新了由潘建偉團隊保持的多光子糾纏態製備的世界紀錄;利用八光子糾纏態，在國際上首次實驗實現了拓撲量子糾錯，是量子信息領域以中國為第一單位發表在《自然》雜誌上的首篇長文，被審稿人稱為「一個艱苦卓絕的英雄主義的量子光學實驗」;
在國際上首次實驗實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，通過地基實驗證明了實現基於量子衛星的全球量子通信網路和開展大尺度基本物理問題實驗檢驗的可行性，《自然》審稿人稱為「另一個英雄的實驗工作」。「在光量子糾纏操縱和量子通信方面，我們走到了領跑的位置。」潘建偉說。
《自然》雜誌曾評論稱：「在量子通信領域，中國用了不到10年時間，由一個不起眼的國家發展成為現在的世界勁旅」。
2012年8月，潘建偉被國際量子通信、測量與計算學會授予2012年度國際量子通信獎，表彰其「在量子通信和多光子糾纏操縱方面的先驅性貢獻」。他是獲得這一榮譽的首位華人物理學家。
量子通信的意義
「滬杭幹線」是量子通信技術應用之一。承建者九州量子董事長鄭韶輝接受記者採訪時表示，中國量子通信的產業化技術可以說已經走在世界前列。未來，隨著量子通信技術進一步提高、應用的多樣化發展，千億級市場規模值得期待。
鄭韶輝表示，「滬杭幹線」建成後，從杭州到上海沿線的政府、銀行、企業等對數據保密傳輸有較高要求的主體，能獲得安全性強、保密度高的專線數據服務。目前，九州量子正在與杭州九十餘家銀行展開相關項目合作的洽談。
事實上，在「滬杭幹線」前後，我國量子信息產業化還有更多好消息。今年底，全球第一條遠距離量子保密通信幹線「京滬幹線」也將建成並驗收。由中國科學家自主研發的世界首顆「量子科學實驗衛星」近期將發射。
科大國盾量子總裁趙勇認為，在綜合考慮了開發成本、市場需求、客戶需求等因素的基礎上，我國的量子通信設備定價已經可以被市場接受。未來，隨著技術提高、設備小型化、應用多樣化的發展，以及在金融、政務甚至互聯網等領域的應用推動，必將使量子通信技術逐步服務於普通老百姓。
說白了，量子通信就是用量子密鑰替代目前的公鑰加密技術，2015年度圖靈獎，就是頒給了發明公鑰加密技術的兩位美國科學家。
公鑰加密技術，簡單的說，就是拿兩個很大的質數A和B進行乘積，然後把這個乘積作為公鑰進行加密，然後用質數A或B進行解密。雖然得到A和B的乘積很容易，但是要直接從這個乘積分解成兩個質數，就非常非常難。
但是隨著計算能力的不斷提高，尤其是基於量子計算機的shor演算法的出現，讓基於大數因子分解的公鑰加密技術，變得越來越脆弱。
這就是為什麼，在通信技術如此發達的今天，各國間涉及政治外交、軍事安全的大部分機密信件和物品，仍然通過最傳統的方式——外交信使來傳遞。即便是再高級的保密通信，只要是通過當前的電話線、無線電、光纖等手段，都會面臨被破譯和竊聽的可能。
這時候，就需要量子密鑰發揮作用了。這種方法，是上世紀90年代美國IBM公司沃森實驗室的查爾斯·本內特等人提出來的，由A向B發射一系列不同偏振態的光子，B對其進行隨機測量，然後選取符合A要求的測量結果作為密碼。在驗證密碼的過程中，如果存在竊聽行為，可以從測量結果的錯誤率中發現。
實際上，量子密鑰就是在A和B之間共同生成一串只有他們兩邊知道的隨機數，然後用這個隨機數來加密。
本內特等人在IBM成功研製出世界上第一台量子密鑰分發的原型樣機，但是它的工作距離僅為32厘米。此後，各國的科學家，逐步將量子密碼在光纖中傳輸的距離推進到幾十甚至上百公里，並嘗試在自由空間中進行傳遞並取得成功。
理論上，量子密鑰分發克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止惟一被嚴格證明是無條件安全的通信方式。
毫無疑問的是，布局了這項技術之後，為後期中國的軍事、財政等敏感信息通信打上了重要的安全標籤。
關於量子通信的概念，曾經有媒體也報道過，認為這是一項浮誇風，是一場炒作，由此至終都是一些資本家玩弄的概念。但毫無疑問潘建偉教授及其團隊是取得了一定的成績的。至於是否真如傳說中那麼重要。那就留待下面的驗證了。
來源：電子發燒友
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