量子科技,香飘几里?

来源:TechWeb.com.cn2020-10-30 16:53:00

作者 | 薛定谔的咸鱼

【TechWeb】2020年10月30日,众所周知,量子科技,火了,香了。但到底它能飘香十里、百里,还是千里?我们来聊一聊。

老科技 新话题

量子力学的历史可以追溯到1877年,玻尔兹曼在一篇文章中提出了“能量单元”的概念。

量子科技在我国也发展了很多年,比如2016年发布的《“十三五”国家科技创新规划》。

在本《规划》中多个条目与量子科技相关,例如:量子通信与量子计算机、量子反常霍尔效应、量子信息、量子导航、量子调控。

同样在“十二五”规划中也有《量子调控研究国家重大科学研究计划“十二五”专项规划》。

在2006年科技部发布《国家“十一五”科学技术发展规划》,其中也有“量子纠缠”等条目,量子科技在此时就已经渐渐进入到人们的视线中。

从成果方面来说,2009年世界首个量子政务网在芜湖建成,这已经标志着我国量子保密通信技术已经正式步入应用轨道。

另外早在2004年,凭借光学干涉环的技术的帮助下,中国首次解决了量子密钥分配过程的稳定性问题。在2007年3月,郭光灿研究团队发明了量子路由器,解决了量子信号在网络中自动寻址的难题。

由此可见,我国在量子通信领域早已取得了相当的成果。

量子科技是什么?

首先一个问题,何为量子?

简而言之就是:分割世间万物的最小单元。(如果存在的话)

举个例子来说,就像我们去超市买可乐。

超市的可乐很多是整箱卖的,有的是6罐一箱,有的是12罐一箱。当然在零售区也有一罐一罐卖的可乐。

在这个例子一罐可乐就是可乐的“最小单元”。因为超市不可能卖半罐,或者四分之一罐。

光子是一种量子,光子就是光的“最小单元”。不存在半个光子或者四分之一个光子。

那么什么是量子科技呢?

广义上来说与量子相关的科技都可以算作量子科技,狭义上大家经常讨论的“量子科技”主要是指量子信息。

在量子信息中,目前比较热门的领域为:量子计算、量子通信。

量子计算

在传统计算机中,我们用的是“比特”,以“0”和“1”为基础构筑万物。而在量子计算机中用的则是“量子比特”,比起传统“比特”的0、1,对于“量子比特”则是无穷。

量子具有一个神奇的特性叫做叠加,举个例子来说明吧。在我们喝咖啡时都会加一些牛奶,牛奶和咖啡的比例往往决定了咖啡的口感。

那么现在问题来了,因为咖啡和牛奶是可以采用任意比例混合的,那么我们改变比例是不是就有可能创造出新的咖啡呢?安装这个思路,如果我们不断改变牛奶和咖啡的比例就可以创造无穷多种新式咖啡了。

咖啡和牛奶的混合就像量子的“叠加态”,对于传统“比特”只有两种选择,对于“量子比特”就有了无穷多种选择,这样一来一个量子比特可以包含比一个经典比特大得多的信息量,而这也是量子计算的基础。

量子计算目前可以用于解决一些特定的数学问题,比如因数分解。

什么是因数分解呢?

比如一个因数14,就可以分解成2×7=14,这种分解结果是唯一的。(1*14算不上“分解”)

而正是因为这样,因数分解可以作为加密解密的手段。比如一把加密锁上写着“求14的因数”,而你就可以用2和7这两把钥匙去开锁了。

可能有些人觉得“14”分解很简单,甚至不用草稿纸就能解决。那么尝试分解一下“2^67-1”也就是147,573,952,589,676,412,927。

其因数分解的结果为193,707,721×761,838,257,287,但是如果只是算这两个数的乘积,敲入计算器几秒就可以得到答案,即使是用草稿纸也算不了多少时间。因数分解就是这样一个易守难攻的问题,因此它被广泛应用于加密领域。

那么量子计算机能做什么呢?对于传统计算方式来说分解一个5000位的数需要大概50亿年,对于量子计算,可能只是两分钟的事。

当然以上描述是理论上的数据,量子计算机还需要发展很久才可能达到这个水平。

2019年谷歌宣称量子霸权已经实现,他们首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性。这件事在学术界具有里程碑式的意义,但从商业和应用角度来说暂时不会造成太大的影响。

首先量子霸权是指量子计算机对比传统计算机的优势。目前量子计算主要用于解决特定的数学问题,也就是说这个优势只是针对解决特定的数学问题。另外谷歌的“量子霸权”是迈出了第一步,但还是没到“商业可用”的地步。

量子通信

量子通信其实应该叫做量子保密通信,重点是保密而不是通信。或者更明确的说是量子密钥分发加传统通信。也就是说一些传统通信的供应商也可以算作量子通信的相关企业。

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点对点保密通信最重要的步骤是先让通信双方先共享一串密码,以此为基础进行加密。

“绝对安全”是人类保密通信行业梦寐以求的目标,克劳德·艾尔伍德·香农在上个世纪就已经证明了如何达到“绝对安全”。

需要满足以下三个条件:

*密钥随机:用完全随机的方式生成秘钥,连信息发送者也不知道会生成什么密钥。

*一次一密:每次发送消息时密钥只使用一次,用过即作废,下次不再使用这个密钥了。

*密钥长度不低于明文:密钥长度至少要和发送信息等长甚至更长,比如我们发送1MB的文件,密钥也至少要1MB。

传统通信是不能做到所谓的“绝对安全”, 比如在传统通信中,双方共享密码可以通过一种“秘密渠道”,但传统通信并不能保证秘密渠道不被窃听。更麻烦的是秘密渠道被窃听之后,使用者几乎不能发觉。

而量子通信则可以解决这些问题。比如单光子传输的量子通信,因为单光子具有不可分割性和单光子量子态的测量塌缩性,这样就可以让别人偷不走信息,被窃听之后还能立刻发现。

应用

如果说量子计算是最强的矛,那量子通信就是最强的盾。矛可以用来破解密码,盾可以加密信息。

从前景上说,量子计算未来有可能被用于:数据处理、人工智能、生物医药等领域。目前量子计算离“真正实用”还有一定的距离。

而对于量子通信,其要点在于保密,那么它的主要用户就是对保密有极高需求的单位了,比如军队、政府、银行、金融机构。

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以工商银行为例,其在2015年就已经应用了北京同城间的量子保密通信。

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其在2017年应用了京沪异地千公里级的量子加密传输。

虽然有不少单位已经开始使用量子通信,但因为成本等原因,市场规模实际上还是很狭小。以国盾量子为例,2020年1-6月其合并利润表中营业收入为16,061,167.36 。

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截取自国盾量子招股书

其在招股书上也提到了市场推广的困难。就目前来说量子通信的商业化发展还处于初期阶段。

除了高昂的价格,现有的量子通信产品在稳定性方面也略逊于传统密码产品,这也会减缓量子通信产品的推广速度。

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数据来自国盾量子2020年半年度报告

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数据来自国盾量子2020年半年度报告

因为这些原因,量子通信行业很多公司即使是在政府补贴的情况下短期内也难逃亏损的命运。但从长期来看,量子通信未来可期。

责任编辑:于博

标签: 量子通信 量子 量子计算 国盾量子 量子科技

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