量子科技，香飄幾裡？

作者 | 薛丁格的鹹魚

【TechWeb】2020年10月30日，眾所周知，量子科技，火了，香了。但到底它能飄香十裡、百裡，還是千裡？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展了很多年，比如2016年發布的《「十三五」國家科技創新規劃》。

在本《規劃》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」專項規劃》。

在2006年科技部發布《國家「十一五」科學技術發展規劃》，其中也有「量子糾纏」等條目，量子科技在此時就已經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在蕪湖建成，這已經標誌著我國量子保密通信技術已經正式步入應用軌道。

另外早在2004年，憑藉光學幹涉環的技術的幫助下，中國首次解決了量子密鑰分配過程的穩定性問題。在2007年3月，郭光燦研究團隊發明了量子路由器，解決了量子信號在網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的成果。

量子科技是什麼？

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。

那麼什麼是量子科技呢？

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

在傳統計算機中，我們用的是「比特」，以「0」和「1」為基礎構築萬物。而在量子計算機中用的則是「量子比特」，比起傳統「比特」的0、1，對於「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。

那麼現在問題來了，因為咖啡和牛奶是可以採用任意比例混合的，那麼我們改變比例是不是就有可能創造出新的咖啡呢？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」，對於傳統「比特」只有兩種選擇，對於「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於解決一些特定的數學問題，比如因數分解。

什麼是因數分解呢？

比如一個因數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」，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。那麼嘗試分解一下「2^67-1」也就是147,573,952,589,676,412,927。

其因數分解的結果為193,707,721×761,838,257,287，但是如果只是算這兩個數的乘積，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。因數分解就是這樣一個易守難攻的問題，因此它被廣泛應用於加密領域。

那麼量子計算機能做什麼呢？對於傳統計算方式來說分解一個5000位的數需要大概50億年，對於量子計算，可能只是兩分鐘的事。

當然以上描述是理論上的數據，量子計算機還需要發展很久才可能達到這個水平。

2019年穀歌宣稱量子霸權已經實現，他們首次在實驗中證明了量子計算機對於傳統架構計算機的優越性。這件事在學術界具有裡程碑式的意義，但從商業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計算機的優勢。目前量子計算主要用於解決特定的數學問題，也就是說這個優勢只是針對解決特定的數學問題。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。或者更明確的說是量子密鑰分發加傳統通信。也就是說一些傳統通信的供應商也可以算作量子通信的相關企業。

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夢寐以求的目標，克勞德·艾爾伍德·香農在上個世紀就已經證明了如何達到「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，連信息發送者也不知道會生成什麼密鑰。

*一次一密：每次發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。

*密鑰長度不低於明文：密鑰長度至少要和發送信息等長甚至更長，比如我們發送1MB的文件，密鑰也至少要1MB。

傳統通信是不能做到所謂的「絕對安全」， 比如在傳統通信中，雙方共享密碼可以通過一種「秘密渠道」，但傳統通信並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後，使用者幾乎不能發覺。

而量子通信則可以解決這些問題。比如單光子傳輸的量子通信，因為單光子具有不可分割性和單光子量子態的測量塌縮性，這樣就可以讓別人偷不走信息，被竊聽之後還能立刻發現。

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於：數據處理、人工智慧、生物醫藥等領域。目前量子計算離「真正實用」還有一定的距離。

而對於量子通信，其要點在於保密，那麼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裡級的量子加密傳輸。

雖然有不少單位已經開始使用量子通信，但因為成本等原因，市場規模實際上還是很狹小。以國盾量子為例，2020年1-6月其合併利潤表中營業收入為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化發展還處於初期階段。

除了高昂的價格，現有的量子通信產品在穩定性方面也略遜於傳統密碼產品，這也會減緩量子通信產品的推廣速度。

數據來自國盾量子2020年半年度報告

數據來自國盾量子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。