孫媛媛

量子科技是新一代信息技術(shù)，具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的極高安全特性，在未來國(guó)家科技競(jìng)爭(zhēng)、新興產(chǎn)業(yè)培育和經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域有著重要的戰(zhàn)略意義和廣闊前景。

今年政府工作報(bào)告將“大力推進(jìn)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)，加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力”列為2024年政府工作首要任務(wù)，推動(dòng)新質(zhì)生產(chǎn)力加快成長(zhǎng)壯大的重要性不言而喻。

值得注意的是，“量子技術(shù)”作為新質(zhì)生產(chǎn)力中未來產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，在政府工作報(bào)告中被兩次提及，政府工作報(bào)告在2023年工作回顧中提到“量子技術(shù)等前沿領(lǐng)域創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)”，未來將“開辟量子技術(shù)、生命科學(xué)等新賽道”。2024年量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新有望繼續(xù)獲得政策支持。

在量子信息技術(shù)的研發(fā)過程中，有哪些關(guān)鍵的技術(shù)難題需要解決？量子通信技術(shù)的發(fā)展將如何影響人們的日常生活和工作方式？對(duì)此，《小康》雜志、中國(guó)小康網(wǎng)專訪了安徽問天量子科技股份有限公司首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授韓正甫。他于1989年開始從事量子密碼技術(shù)研究，是我國(guó)最早從事量子信息技術(shù)的研究者之一，承擔(dān)2018—2023年科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“高性能量子密鑰分發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”等重大項(xiàng)目。曾獲得安徽省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、教育部技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。曾擔(dān)任國(guó)家“863”計(jì)劃量子信息主題專家組副組長(zhǎng)，目前擔(dān)任中國(guó)密碼學(xué)會(huì)量子密碼專業(yè)委員會(huì)主任。

量子通信從神話邁向?qū)嵱没?/p>

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：請(qǐng)您簡(jiǎn)要介紹一下量子信息技術(shù)的概念和發(fā)展歷程。

韓正甫：嚴(yán)格意義上說，量子信息技術(shù)是用量子態(tài)對(duì)信息進(jìn)行編碼的一種信息處理的方法，或者叫用量子態(tài)代表信息進(jìn)行處理的一種技術(shù)。

我們現(xiàn)在用的信息技術(shù)，絕大部分編碼采用電壓或者光強(qiáng)，發(fā)一個(gè)高電壓脈沖代表“1”，再發(fā)一個(gè)低電壓脈沖代表“0”，通信上用一道強(qiáng)光代表“1”，再用弱光代表“0”——這就是當(dāng)前的信息技術(shù)手段。但是到量子層面，我們用“量子態(tài)”來代表信息，量子態(tài)也有各種各樣的形式，可以用其中的某一種代表“1”，另外一種代表“0”。計(jì)算機(jī)處理器處理信息時(shí)，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)就是按電壓“0”“1”來處理的，計(jì)算過程就是讓邏輯門在高電壓和低電壓之間按照設(shè)定的規(guī)律來回跳，這是電子信息技術(shù)的基本程序，它必須符合經(jīng)典物理學(xué)，即電磁學(xué)的基本規(guī)則。

用量子態(tài)來代表信息，由于量子態(tài)不是經(jīng)典的物理量，所以滿足它的規(guī)律不再是電磁學(xué)的規(guī)律，而是量子力學(xué)規(guī)律。在處理量子信息時(shí)，由于代表信息的是量子態(tài)，與電壓不一樣，因此具有跟傳統(tǒng)信息技術(shù)不一樣的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然也有一定的缺點(diǎn)。量子信息這么多年的研究就是把其優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮出來，規(guī)避缺點(diǎn)。

從底層邏輯來看，量子信息網(wǎng)絡(luò)跟現(xiàn)在的電子信息網(wǎng)格不是一回事，在機(jī)器層面，完全不是一個(gè)概念。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、手機(jī)，嚴(yán)格意義上是沒有辦法運(yùn)行量子信息的，必須重新做一套量子硬件，形成量子處理器，再裝上讓它工作的軟件，才能完整地做量子信息的處理和傳輸。

1984年，美國(guó)的查爾斯-貝內(nèi)特和加拿大蒙特利爾大學(xué)的吉列-巴薩德共同提出了第一個(gè)也是最為著名的量子密鑰分發(fā)協(xié)議——BB84協(xié)議。量子密鑰分發(fā)利用單光子的不可分割性、未知量子態(tài)的不可復(fù)制性等微觀粒子特有的量子性質(zhì)，從原理上保證了密鑰的不可竊聽，從而確保了信息傳送的安全性。BB84協(xié)議開創(chuàng)了量子信息行業(yè)用它進(jìn)行密鑰的分發(fā)，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保密通信。

此外，我們可以用量子態(tài)編碼的新辦法開發(fā)跟現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)完全不一樣的另一類計(jì)算機(jī)，它的優(yōu)勢(shì)在于能夠簡(jiǎn)單地處理一些我們經(jīng)常遇到的復(fù)雜問題。比如精確度更高的天氣預(yù)報(bào)，人與股票之間的關(guān)系，地震、雪崩預(yù)測(cè)等。在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，這些都是很難解的復(fù)雜問題。但在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，這些問題相對(duì)來說沒那么難，它能夠把計(jì)算速度大大地加快。

我們還可以用量子技術(shù)去解決一些基本的測(cè)量問題。比如用它來定義長(zhǎng)度，定義光強(qiáng)的大小，用它來直接測(cè)量電流的大小，而且測(cè)量精度上比傳統(tǒng)的辦法要精確得多。所以，需要做高精度測(cè)量的地方，就可以用量子技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，這叫量子測(cè)量。當(dāng)然還有量子成像和量子光刻等技術(shù)，目前不是主流。未來有沒有一些新的方向呢？肯定是有的，但是目前沒有進(jìn)入主流的研究方向。

1984年到1990年，量子信息逐漸受到國(guó)際學(xué)術(shù)界的重視；2000年以后確認(rèn)量子技術(shù)能夠從原理上做傳統(tǒng)計(jì)算和傳統(tǒng)通信做不到的事；2010年以后變成國(guó)際熱點(diǎn)，量子信息技術(shù)研究就此轟轟烈烈開展起來。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：目前，量子通信領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景是怎樣的？

韓正甫：從發(fā)展歷程上來說，量子信息行業(yè)已存在近40年，但到目前為止，除了量子通信能夠有部分的應(yīng)用之外，其他方面還有待于進(jìn)入真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景。

目前的應(yīng)用場(chǎng)景還不算多，比如量子通信，其核心是量子密鑰分發(fā)，解決一些傳統(tǒng)密碼學(xué)解決不了的問題。量子計(jì)算機(jī)概念出來以后，理論上已經(jīng)證明在用的密碼技術(shù)不安全，量子計(jì)算機(jī)一旦出來就可以破解它。未來，我們需要全面進(jìn)入量子層面，用量子密碼來對(duì)付量子計(jì)算機(jī)。在量子層面，加密和破密相互之間能達(dá)到同一水平，因而安全更有保障了。

目前，量子密碼技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用，比如海關(guān)和邊境檢查、金融行業(yè)；公安部門牽涉到千家萬戶的個(gè)人身份和隱私的信息需要保護(hù)，這也可以用量子密碼來解決。事實(shí)上，只要有通信和規(guī)?；瘮?shù)據(jù)的地方，量子密碼技術(shù)都可以用到。在純量子信息處理方面，還得等量子計(jì)算機(jī)研發(fā)出來之后，才能用量子的辦法去處理。比如藥物的篩選和研發(fā)，可以用量子計(jì)算機(jī)先去做模擬或優(yōu)選，從而大大加快藥物研發(fā)的速度；在氣象行業(yè)，如果把量子計(jì)算機(jī)用起來，就可以更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)天氣。

目前量子密碼已經(jīng)投入使用，2018年我們的產(chǎn)品就在某個(gè)邊境檢查站得到應(yīng)用。其他領(lǐng)域陸續(xù)也有一些應(yīng)用，這里用到的技術(shù)是量子密鑰分發(fā)或者稱為量子通信。對(duì)電網(wǎng)來說，大電流的準(zhǔn)確測(cè)量非常重要，起碼跟收費(fèi)有關(guān)?，F(xiàn)在用量子測(cè)量，精度上更準(zhǔn)，工程上也更方便，目前還處在預(yù)演階段。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：目前全球范圍內(nèi)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)進(jìn)展如何？

韓正甫：目前量子計(jì)算機(jī)最大的困難在于硬件怎么實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榱孔討B(tài)特別脆弱，容易受周邊環(huán)境的干擾，所以我們要把它孤立起來，孤立到一定程度還要控制它，才能做出量子計(jì)算機(jī)。最近十幾年，全球都在努力做這件事，但是目前還沒有一項(xiàng)技術(shù)能夠滿足理想的量子計(jì)算的需求。

例如：用離子來做量子計(jì)算機(jī)，目前體積太大、成本太高；近年超導(dǎo)量子計(jì)算非?；馃?，被認(rèn)為是最可能做出第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)。2023年年底，哈佛大學(xué)又給出另一套基于束縛原子的量子計(jì)算機(jī)，號(hào)稱能做出48個(gè)邏輯比特，這是目前其他技術(shù)無法達(dá)到的高度，但這種技術(shù)最終能走到哪里，我們拭目以待。另外，和傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)相似的半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)，雖然走得慢，但其可擴(kuò)展性和制造工藝都非常成熟，能不能后來居上，還不好斷定。

量子計(jì)算機(jī)難度太大，期望短時(shí)間之內(nèi)解決問題是不太現(xiàn)實(shí)的。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：量子通信相比于傳統(tǒng)的通信方式有何優(yōu)勢(shì)和局限性？

韓正甫：量子通信最大的好處是可以控制整個(gè)通信過程的安全性、或者說，我的信息有沒有被別人竊聽，有沒有泄露，我是知道的。目前最大的局限是如果在地面使用的話，必須要有光纖，利用電線來做量子通信目前還不行。在空中也只能直接傳光，收發(fā)兩端必須要能夠看得見，只能在直視距離下傳輸。所謂的量子衛(wèi)星，就是從衛(wèi)星上向地面?zhèn)饕唤M量子態(tài)實(shí)現(xiàn)量子通信，目前限制還比較大。

重塑后量子時(shí)代通信與數(shù)據(jù)安全

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：2018年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在環(huán)回差分相位量子密鑰分配（RRDPS）研究方面取得重要進(jìn)展，您可以介紹一下嗎？

韓正甫：2018年前，量子密鑰分發(fā)協(xié)議里，如何去發(fā)現(xiàn)密鑰在傳輸過程中有沒有被人竊聽，要看從A傳到B或者從B傳到A的過程中間，敵方在竊聽信息時(shí)留下的痕跡——誤碼。通過檢測(cè)誤碼的大小，就能知道竊聽者可能竊聽到的信息量，我們可以用一些數(shù)學(xué)手段，將被敵方偷聽的信息剔除掉，從而留下安全信息，因此所有的量子密鑰分發(fā)都需要知道系統(tǒng)誤碼率到底有多大。而且誤碼率高，系統(tǒng)就不好用了。

RRDPS方案最大的不同是一定程度上不需要去檢測(cè)到底有多少誤碼，可以忍受更高的誤碼率。實(shí)際應(yīng)用中，在干擾比較大的地方，無法區(qū)分誤碼是受干擾了還是真的被敵人竊聽了。所以，RRDPS協(xié)議的好處就是可以容忍很大的誤碼，在誤碼很大的時(shí)候還能夠得到安全的信息。2018年，我們從理論上完善了該協(xié)議的安全性證明，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了該方案，解決了一個(gè)難題，即如何用最少的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)盡可能接近理想的RRDPS方案。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：?jiǎn)柼炝孔拥暮诵募夹g(shù)體系是怎樣的？

韓正甫：?jiǎn)柼炝孔訐碛悬c(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子密碼通信技術(shù)、量子密碼通信組網(wǎng)技術(shù)、量子密碼通信核心器件等全系列技術(shù)，已經(jīng)構(gòu)建起具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的完整量子密碼通信核心技術(shù)體系。上個(gè)世紀(jì)90年代，我們已經(jīng)在國(guó)際上站住腳，2000年到2010年期間，我們申請(qǐng)了一些技術(shù)專利，奠定了問天量子整個(gè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)。所以，從安全性、完整性以及設(shè)備的可靠性來說，問天量子是國(guó)際上最好的廠家之一。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：2022年，您與合作者實(shí)現(xiàn)了833公里光纖量子密鑰分發(fā)，將安全傳輸距離世界紀(jì)錄提升了200余公里，向?qū)崿F(xiàn)千公里陸基量子保密通信邁出重要一步。這項(xiàng)成果的意義，您可以介紹一下嗎？

韓正甫：量子密鑰分發(fā)或者叫量子通信，是受距離限制的。在一定技術(shù)條件下，它傳輸?shù)木嚯x是有極限的。此前，大約只能做兩三百公里，極限距離大約五百公里。在幅員遼闊的中國(guó)，這是個(gè)缺憾。比如在華北、華中、華東、華南地區(qū)，兩個(gè)城市之間的距離不會(huì)超過300公里，此前的量子通信距離夠用。但是，在大西北，像甘肅、青海、西藏、新疆一帶，兩個(gè)城市之間的距離可能有七八百公里，甚至上千公里。

2019年開始，我們花了三年左右的時(shí)間，把量子密鑰分發(fā)的極限距離一次性地提升到833公里。這個(gè)距離基本上可以解決我國(guó)絕大部分的城市與城市之間的通信問題，所以它的價(jià)值還是挺大的，而且這代表了當(dāng)時(shí)的國(guó)際最高水平。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：目前量子通信技術(shù)面臨哪些挑戰(zhàn)和難題？如何解決這些問題？

韓正甫：目前面臨最大的難題，就是怎么把它跟現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用結(jié)合起來？從2015年開始到現(xiàn)在，我們花了五到十年左右的時(shí)間做用戶教育，廣大信息行業(yè)從業(yè)人員現(xiàn)在已經(jīng)知道量子信息這個(gè)概念了，但是怎么用？還需要一些突破性的想法和思維。目前，我們對(duì)用戶需求的了解還沒那么深，還需要學(xué)習(xí)一些具體行業(yè)知識(shí)，比如醫(yī)療、金融等行業(yè)，他們有哪些特殊的需求，然后再思考如何把量子的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來。一項(xiàng)新技術(shù)研發(fā)出來后，對(duì)于傳統(tǒng)行業(yè)會(huì)有沖擊，傳統(tǒng)行業(yè)必然會(huì)有抵觸情緒，這對(duì)新技術(shù)的推廣是個(gè)難題。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：在量子通信領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展有哪些差異？

韓正甫：宏觀意義上說，量子通信國(guó)內(nèi)比歐美要領(lǐng)先3～5年左右。量子測(cè)量和量子計(jì)算總體上可能要落后5～10年左右，我不敢肯定自己的這個(gè)判斷是否準(zhǔn)確。

量子科技 探索未來

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：您對(duì)當(dāng)前量子通信技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程有何看法？

韓正甫：第一，客觀地說，整個(gè)行業(yè)有點(diǎn)亂?，F(xiàn)在從事這個(gè)行業(yè)的公司太多，有些是在趕熱潮進(jìn)入這個(gè)賽道。

第二，量子通信技術(shù)怎么跟商業(yè)化完美結(jié)合，把它用起來，這是一個(gè)開放的問題。

第三，現(xiàn)在國(guó)家層面很重視，所以宣傳力度也比較大，這對(duì)行業(yè)來說是正面的推進(jìn)。

第四，在應(yīng)用場(chǎng)景方面，與傳統(tǒng)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)仍然處于弱勢(shì)。希望國(guó)家能夠加大推動(dòng)力，提供應(yīng)用場(chǎng)景?？偟膩碚f，量子通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到某些應(yīng)用場(chǎng)景，解決了一些問題。量子技術(shù)行業(yè)確實(shí)在快速發(fā)展中。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：量子通信將帶領(lǐng)人類走向怎樣的未來？

韓正甫：未來10年到20年，量子通信可能會(huì)改變現(xiàn)在的信息安全模式。目前的信息安全領(lǐng)域比較混亂，那么多詐騙犯能實(shí)施他們的詐騙計(jì)劃，就是因?yàn)樗軌蚝苋菀啄玫轿覀兊男畔ⅰＳ昧肆孔蛹夹g(shù)之后，我相信能解決其中的一部分問題。信息系統(tǒng)的理論安全有了，我們就可以集中精力去解決一些不太放心的問題，這對(duì)信息安全行業(yè)有促進(jìn)作用。量子信息可以讓我們一步一步地實(shí)現(xiàn)理想的安全。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：量子通信技術(shù)的發(fā)展將如何影響人們的日常生活和工作方式？

韓正甫：從技術(shù)的角度來說，尤其是安全技術(shù)，我們不希望用戶有任何不適的感覺，最好的辦法就是把安全置于無形之中，讓你于無感中獲得安全。從這個(gè)角度來說，我們改變不了人類的生活，或者說我們根本不愿意改變?nèi)祟惖纳罘绞健?/p>

但是，從能夠逐漸保證安全的角度去看，大家在防備心理方面能夠放松一些。更遠(yuǎn)的層次上，量子計(jì)算機(jī)有了，量子通信也有了，那么我們的生活方式會(huì)變成什么樣的狀態(tài)？不太容易想象，我給不出比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：未來量子通信技術(shù)的發(fā)展方向是什么？

韓正甫：首先會(huì)在一些涉及較高秘密的場(chǎng)合用起來，目前，在商業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用也在逐漸展開。未來5年是量子通信技術(shù)全面鋪開應(yīng)用的階段，10年之后應(yīng)能夠普及。

《小康》-中國(guó)小康網(wǎng)：請(qǐng)您分享一下對(duì)未來量子通信技術(shù)發(fā)展的展望和期待。

韓正甫：任何一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都是如此，最早的技術(shù)可能指標(biāo)最低，受限最多。目前，我們的技術(shù)已經(jīng)能夠覆蓋幾乎所有的需求，但是肯定沒達(dá)到得心應(yīng)手的狀態(tài)。

后續(xù)要奔著怎么能夠解決問題，以及怎么滿足現(xiàn)實(shí)需求的方向。我們所有的技術(shù)發(fā)展方向，一定是沿著滿足需求、實(shí)現(xiàn)信息安全的需求方向走。所以，獨(dú)立地從科研的角度去發(fā)展的技術(shù)，可能短時(shí)間之內(nèi)會(huì)引發(fā)學(xué)術(shù)界的熱潮，但是不是市場(chǎng)需求的，要由市場(chǎng)來檢驗(yàn)。

量子密碼技術(shù)幾乎在所有的信息相關(guān)行業(yè)里都需要，比如通信的過程、存儲(chǔ)的過程、處理的過程……至于怎么用？用得好不好？用戶體驗(yàn)如何？從企業(yè)的角度來說，要解決的就是這一類問題。