量子科技的兩塊試驗田：量子計算與量子通信丨前途有「量」

量子理論的出現已經百年，量子技術的應用也已經超過半個世紀，接下來，商業化將成為「量子」進一步的努力方向。從目前的現狀來看，量子技術可應用領域十分廣泛，但無論是近幾年的輿論熱點還是大型科技公司的投入重心毫無例外的都偏向了「量子計算」和「量子通信」兩個板塊，這兩個領域的進展也較為迅速。

以量子計算為例，今年最知名的進展就是去年穀歌宣布突破「量子霸權」，另外，如IBM、霍尼韋爾和D-Wave等公司也多年深耕量子計算。而在國內，中國科學技術大學、清華大學等高校近年來都在量子計算領域取得一些階段性成果，百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出臺了量子計算研究計劃。

而在量子通信方面，大眾層面的「重大進展」還得說是我國於2016年8月16日發射的墨子號量子科學實驗衛星，實際上，我國的量子保密通信「京滬幹線」也已經於2017年建成，而潘建偉院士本人持股的國盾量子也在今年登陸科創板，成為「量子第一股」。

所以，《前途有「量」》系列的第三篇文章將從目前量子技術相較最成熟的領域展開，為大家介紹「量子計算」和「量子通信」的奧秘。

量子信息

首先需要說明的是，無論量子計算還是量子通信，其從理論劃分上都屬於量子信息的範疇，而量子信息是以量子力學基本原理為基礎，把量子系統「狀態」所帶有的物理信息，進行計算、編碼和信息傳輸的全新信息方式。量子信息最常見的單位是為量子比特（qubit）——也就是一個只有兩個狀態的量子系統。

在量子資訊理論領域，所研究的量子系統是抽象出來的，脫離了任何現實世界的對應物。例如，一個qubit在物理上可能是線性光學量子計算機中的一個光子，也可能是陷落離子量子計算機中的一個離子，也可能是一個大的原子集合，如超導量子計算機。

無論物理實現如何，量子信息理論所隱含的量子比特的限制和特徵都是成立的，因為所有這些系統都是由複數上的密度矩陣的同一裝置進行數學描述的。與量子力學的另一個重要區別是，量子力學經常研究無限維系統，如諧波振蕩器，而量子資訊理論既關注連續變量系統，也關注有限維系統。

將量子力學和資訊理論合併的想法出現在20世紀70年代，但很少引起關注，直到1982年，物理學家理察·費曼（Richard Feynman）發表了一次演講，他在演講中推理出基於經典邏輯的計算不可能遷移到處理描述量子現象的計算。然而，基於量子現象配置的計算來模擬其他量子現象，就不會遇到同樣的瓶頸。雖然這一應用最終成為了量子模擬領域，但當時並沒有引發太多的研究活動。

然而在1994年，當數學家Peter Shor開發出一種量子算法，可以高效地找到大數的質因數時，這是最先進的經典算法所無法做到的，人們對量子計算的興趣急劇上升。

Peter Shor

什麼是量子計算？

量子計算機和經典計算機都是輔助人類進行計算的工具，但它們處理數據以獲得答案的方式是根本不同的。量子計算是利用疊加和糾纏等量子現象來進行計算。現階段的量子計算機能夠在某些計算問題的解決上，如整數分解（這是RSA加密的基礎），大大快於經典計算機。

量子計算始於20世紀80年代初，當時物理學家Paul Benioff提出了圖靈機的量子力學模型，Richard Feynman和Yuri Manin後來提出量子計算機有可能模擬經典計算機無法模擬的東西。1994年，Peter Shor又開發了一種整數分解的量子算法。

儘管自20世紀90年代末以來，實驗進展不斷，但大多數研究人員認為，「容錯量子計算」仍然是一個相當遙遠的夢想。不過這仍然沒有組織各國政府和企業加大對量子計算的投資。

谷歌量子計算機

量子計算有多種模型，包括量子電路模型、量子圖靈機、絕熱量子計算機、單向量子計算機和各種量子元胞自動機。其中應用最廣泛的模型是量子電路。量子電路是基於量子比特（qubit），它有點類似於經典計算中的比特。量子比特可以處於1或0的量子狀態，也可以處於1和0狀態的疊加。然而，當量子比特被測量時，測量的結果總是0或1；這兩種結果的概率取決於量子比特在緊接測量之前所處的量子狀態。

值得一提的是，並非較多媒體經常寫道的量子計算機是通過並行嘗試問題的每一個可能的答案來加快計算速度的。實際上，量子計算機利用量子比特之間的糾纏和與疊加相關的概率來進行一系列操作（量子算法），使某些概率增強（即正確答案的概率），而另一些概率降低，甚至降到零（即錯誤答案的概率）。當在計算結束時進行測量時，測量正確答案的概率應該是最大化的。

量子計算機的實現有多種方法，例如量子模擬、量子退火和絕熱量子計算。Transmons、離子阱和拓撲量子計算機等技術使用量子邏輯門進行計算。所有這些方法都使用了量子比特。目前，在構建有用的量子計算機的道路上存在一些重大障礙。特別是，由於量子比特受到量子解相干和狀態保真的影響，很難保持量子狀態。因此，量子計算機需要糾錯。

另外，量子計算機的優勢在於計算速度快而非「萬能計算」，實際上，任何可以由經典計算機解決的計算問題也可以由量子計算機解決。反過來說，量子計算機遵循丘奇·圖靈理論，即如果給與足夠的時間，任何可以由量子計算機解決的問題也可以由經典計算機解決。

二者的區別在於，雖然量子計算機在可計算性方面並沒有提供比經典計算機更多的優勢，但它們確實可以設計出某些問題的算法，這些算法的時間複雜度比已知的經典算法要低得多。由此使得量子計算機被認為能夠快速解決某些問題，而經典計算機在任何可行的時間內都無法解決這些問題，這也就是所謂的「量子霸權」（Quantum Supremacy）。

什麼是量子通信？

相較於量子計算，大眾對於量子通信的誤解可能會更大，甚至會將其與超光速通信聯繫起來。實際上，量子通信是利用量子疊加態和糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式，其亮點是通信中無法被竊聽和計算破解的絕對安全性，主要分為量子隱形傳態和量子密鑰分發兩種。

量子隱形傳態（Quantum teleportation），又稱量子遙傳、量子隱形傳輸、量子隱形傳送、量子遠距傳輸或量子遠傳，是一種利用分散量子纏結與一些物理訊息（physical information）的轉換來傳送量子態至任意距離的位置的技術。

在這個過程中，量子信息（如原子或光子的確切狀態）可以藉助於經典通信和發送和接收地點之間先前共享的量子糾纏，從一個地點傳送到另一個地點。這裡要十分強調，因為量子隱形傳態依賴於經典通信，而經典通信的進行速度不能超過光速，所以不能用於比光更快的傳輸或經典比特的通信。

另外，但量子傳送僅限於信息的傳送，而不是物質本身的傳送。量子傳送不是一種運輸方式，而是通信方式：它提供了一種將一個qubit從一個位置傳送到另一個位置的方式。

量子遠距離傳輸最早是在單光子中實現的，後來在原子、離子、電子和超導電路等各種物質系統中被證明。最新報導的量子傳送距離記錄是潘建偉團隊利用「墨子號」衛星進行天基量子傳送的1,400公裡，實驗傳送了6個qubit，置信度均大於99.7%。

量子密鑰分發（Quantum key distribution，QKD）是量子密碼學最著名、最發達的應用。它是利用量子通信在雙方之間建立共享密鑰的過程，即使第三方可以竊聽通信雙方之間的所有通信也不會得知任何關於該密鑰的信息。一旦建立了密鑰，那麼它通常會被用於使用經典技術進行加密通信。

量子密鑰分發的獨特屬性源於量子力學的一個基本原理：一般測量量子系統的過程會干擾系統。試圖竊聽密鑰的第三方必須以某種方式對其進行測量，從而引入可檢測的異常。

通過使用量子疊加或量子糾纏，並在量子狀態下傳輸信息，可以實現一個檢測竊聽的通信系統。如果竊聽程度低於一定的閾值，就可以產生一個保證安全的密鑰（即竊聽者沒有任何信息），否則就不可能產生安全的密鑰，通信中止。

使用量子密鑰分發的加密的安全性依賴於量子力學的基礎，與傳統的公鑰密碼學不同，傳統的公鑰密碼學依賴於某些數學函數的計算難度，無法提供任何數學證明，無法證明所使用的單向函數的實際複雜程度。QKD具有基於資訊理論的可證明安全性，以及前向保密性。

量子密鑰分發的主要缺點是，它通常依賴於擁有一個經過驗證的經典通信渠道。在現代密碼學中，擁有一個經過驗證的經典信道意味著已經交換了足夠長度的對稱密鑰或足夠安全級別的公鑰。在已經有了這樣的信息的情況下，人們可以不使用QKD而實現認證的安全通信，比如使用高級加密標準的伽羅瓦/計數器模式。因此，QKD以多倍的成本完成了流密碼的工作。

量子密鑰分發只用於產生和分發一個密鑰，而不是傳輸任何信息數據。這個密鑰可以與任何選定的加密算法一起使用，以加密（和解密）一個消息，然後可以通過標準的通信渠道傳輸。

最常見的與QKD相關的算法是「一次性密碼本」（one-time pad，OTP），因為當它與一個秘密的隨機密鑰一起使用時，可以證明是安全的。在現實世界中，它也經常與使用對稱密鑰算法（如高級加密標準算法）的加密一起使用。

總結

同歷史上勢均力敵的「矛盾」技術相同的是，通信領域的最大威脅可能來自量子計算。因為具規模的量子計算機在未來可能出現，所以研究可抵抗量子攻擊的密碼架構更顯重要，現今許多公鑰加密將會被量子計算機上的 Shor算法所破解。

而要破解量子計算對經典密碼學的威脅，最可能的方法或許還是要尋求量子通信的成熟。如此看來，量子技術也將會在內部的一攻一守之間幫助人類文明邁上一個新的臺階。