前幾天，新華社一則新聞引起了很多人的關注：最高決策層的大佬們集體學習了量子科技的研究和應用前景。

　　決策層對於“量子科技研究和應用前景”的定性是“對促進高質量發展、保障國家安全具有非常重要的作用。”

　　各位請注意，量子科技的研究與應用，是一件和國家安全掛鈎的事。

　　與之對比，一直熱度都很高的“區塊鏈研究和應用”的定性則是：區塊鏈技術的集成應用在新的技術革新和產業變革中起着重要作用。

　　國家安全 VS 技術革新與產業變革

　　孰輕孰重，一眼便知。

　　對區塊鏈最感興趣的，

　　可能是投資人和企業家。

　　對量子技術最感興趣的，

　　可能是軍方和情報人員。

　　中國的量子通信，終將在5G時代成為保衛國家信息安全的隱形長城，中國量子通信技術至少領先世界5年。

　　信息從古到今都具有戰略性的安全意義——從烽火台到飛鴿傳書，從無線電到互聯網，通信和軍事情報之間，往往僅有一線之隔。

　　二戰時期，納粹德國空軍計劃轟炸英國城市考文垂。儘管英國情報人員已經破譯了德國的“恩格瑪密碼機”，但是為了不讓德國人懷疑自己被竊聽，只能使苦肉計，忍痛犧牲考文垂。

　　▲百年古城化作焦土

　　只為掩蓋竊聽真相

　　坐看歷史古城考文垂被炸成一片廢墟，上千軍民死傷，目的只是為了從戰略上欺騙對手，讓德國人蒙在鼓裡。這可能是經典通信時代之中最具有戲劇化的場景，它包含了一切經典通信的要素：被加密的信息，對密鑰的破譯，竊聽和竊聽掩蓋。

　　但在量子通信時代，“忍痛犧牲考文垂”這樣的苦肉計將毫無價值——因為量子通信做到了“從數學上被證明的無條件、絕對安全”，任何竊聽都必然暴露——這是所有情報機關和安全人員做夢都想獲得的能力。

　　量子通信的兩種技術路線

　　在了解量子通信之前，我們需要先了解一下量子物理的一些基本概念。

　　量子的定義是德國物理學家普朗克提出的，我們可以理解為一個物理量無可分割的最小單位。如果一袋大米是一個物理量，那麼每一粒米就是不可分割的最小單位，就是一個“大米量子”。於是，這袋大米就被量子化了。

　　▲ “定量賢者”普朗克

　　而量子擁有三個極其重要的特性：不可複製，不確定，相互糾纏。這三種特性就是量子通信能做到絕對安全的基礎。

　　所謂的不確定性，來自於著名的“雙縫干涉實驗”，簡單來說就是：當科學家們試圖觀察光的波動性的時候，他們居然發現：當人們觀察光傳播過程的時候，光是一個個的粒子，而當人們不觀察過程、只看結果的時候，光成了電磁波。

　　就像一個射手，當沒人看他的時候，他百發百中。一旦有人盯着他看，哪怕隔着幾公里用望遠鏡在偷窺，他都完全沒辦法打中目標。

　　對此，德國科學家海森堡的解釋是：觀測儀器會對微觀粒子造成影響，人們無法觀測到微觀粒子的動量和位移。

　　簡而言之：怎麼測都測不準。這就是著名的“測不準原理”，也叫“不確定性原理”。

　　▲ “不准道人”海森堡

　　既然怎麼測都測不準，那麼想複製一個量子也就無從談起了，所以量子還具有不可複製的特性。

　　這就等於是“上帝的信封”——別說打開看看了，哪怕只是瞥了封面一眼都能暴露無遺。

　　第一種技術路線：量子密鑰分發

　　1984年，美國科學家Bennett和密碼學家Brassard提出了利用“不可克隆”性質實現量子密鑰分發的方案。這種精妙無比的方案，後來被稱為“BB84協議”。

　　從那時起，量子加密通信的時代正式開啟了！

　　BB84協議的核心思路就是用光子（光的量子，量子化的光）的特性來實現密鑰的設計。光子有兩種狀態：圓偏振和線偏振。作為普通人，我們可能不太理解這些術語，但我們只需要知道下面兩點就可以了：

　　簡單粗暴來說：

　　圓偏振有兩種狀態：左傾和右傾

　　線偏振有兩種狀態：水平和豎直

　　發送者把一個濾光片放在發射器之前，當光子發出後，在濾光片的作用下，光子開始發生偏振。對接收方來說，他並不知道發送者使用什麼樣的濾光片，於是只能隨便選擇一個濾光片來進行接收。

　　當發送者選擇“|”豎直濾光片，光子偏振狀態將變為豎直，如果接收者恰巧選擇十字形狀濾光片，光子就能夠順利通過，並不改變最初的偏振狀態。

　　當發送者選擇“一”水平濾光片，光子偏振狀態將變為水平，如果接收者不巧選擇X形狀濾光片，光子就無法順利通過，就會改變最初的偏振狀態，接收者拿到的將會是左偏振或右偏振的光子。

　　在正式進行通訊的時候，發送者發射四個光子，分別按照“豎直、水平、左傾、右傾”的順序選擇濾光片。接受者由於不知道發送者的選擇，於是隨意地按照“十，X，十，X”的順序選擇了濾光片。

　　到此，接收者就接到了四個光子。但此時，他並不知道最開始發送的光子是什麼狀態，因為一旦自己選的濾光片和發送者的選擇不一樣，光子的偏振狀態就會改變。

　　所以，接收者此時就必須給發送者進行聯絡，把自己收到的光子偏振情況告訴發送方。發送方也並不需要說太多，只需要告訴接收方第幾個偏振方向和自己的濾光片順序一致即可，對雙方一致的光子偏振進行編碼，即可得到一組共享的密鑰。

　　需要注意的是，這個過程是通過經典通信渠道進行的。在這個過程中，交換的信息只有“第X個是一致的”這樣毫無營養的內容，即便泄密也並無影響。

　　根據BB84協議，豎直和左傾的偏振將被記為0，而水平和右傾的偏振將被記為1。於是，根據之前的操作，最後因為只有1號（豎直）和4號光子（右傾）是一致的，所以最終記為01。

　　這個“01”就是雙方都掌握的密鑰。對發送方來說，自己發射的光子長啥樣自己是清楚的，所以他自然知道密鑰；對於接收方來說，因為和發送方溝通過，也知道密鑰是什麼。

　　在量子世界裡，只要測量就會改變量子本來的面貌且無法複製量子，所以最終接收者接到的光子必然會和發送的大不相同：發射過來的豎直偏振量子，在被竊聽之後變成了左偏振，接收者和發送者只要核對一下就知道出問題了。

　　就算竊聽者碰巧用了和發送者一模一樣的濾光片，得到了光子的最初狀態。呵呵，現實中一個脈衝里就有千千萬萬個光子，難道每一個光子的狀態都能蒙對不成？

　　與其琢磨發送者安排濾光片的順序，竊聽者不如直接上門把發送者綁過來嚴刑拷打。

　　這種從理論上就落實的絕對安全，就是量子通信的底氣所在。

　　可以說，量子密鑰分發技術，相當於是給傳統的經典通信渠道加了一把無法破譯的量子密碼鎖。

　　基於糾纏的量子密鑰分發

　　BB84協議所設計的量子密鑰分發方案儘管有了安全保證，但因為目前的技術還不成熟，實際使用的情況下仍然存在許多問題。其中一個問題就是距離太短：由於每次通信時候的光子是一顆顆發送的，在長距離通信的過程中不可避免地出現損耗，因而目前只能實現20km範圍內的通信。如果想增加距離，就必須修建大量的中繼站，但中繼站被劫持又成了新的安全威脅。

　　20km，說難聽點，夠幹啥？

　　於是，第二種技術路線出場的時候到了。

　　在第二種技術路線中，通信雙方並不需要發送和接收光子就可以實現量子通信，這對於竊聽者來說就極其不友好了，他甚至連插手的空間都沒有。

　　這種技術路線就是基於“量子糾纏”的密鑰分發。

　　“量子糾纏”是一種現象，指的是：在量子力學裡，當幾個粒子在彼此相互作用後，由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，則稱這現象為量子纏結或量子糾纏（quantum entanglement）。 量子糾纏是一種純粹發生於量子系統的現象；在經典力學裡，找不到類似的現象。

　　▲ 量子糾纏 示意圖

　　通俗來理解，就是一對預先被製備好的量子，即便彼此被分隔在銀河的兩端，只要我們改變其中一方的狀態，另外一方的狀態也會瞬間變化。

　　在量子力學剛剛開始發展的那幾年，這種心電感應一樣的“靈異現象”甚至讓愛因斯坦、薛定諤都翻車了——量子糾纏無視距離，莫非意味着這世間有超越光速的存在？

　　連“量子糾纏”這個詞都是虐貓狂人薛定諤用來嘲笑早年間以玻爾為代表的那群量子物理學家的“蔑稱”。

　　現在，量子糾纏被證實了。只不過糾纏的兩個量子之間出現的只有狀態的同步，並不能用來傳遞信息，也並不會超越光速。就像是遠在美國的女兒生了孩子，在中國的媽媽瞬間就會變成姥姥。。。。。。這是一種預先存在的事實與本質，和信息傳遞無關。

　　想傳遞有價值的信息，還是得靠經典的通信渠道，但量子的糾纏卻可以被用來製作密鑰。

　　基於量子糾纏的密鑰分發就是利用這樣的一種原理：將預先製備好的一對糾纏量子分別發送給不同地點的通信雙方。再結合之前“量子不能測，一測就變態”的規律，當甲方測定了量子的狀態後，量子就坍縮了（狀態固定了），千里之外乙方的量子也就瞬間變成了和甲方量子互補的狀態。

　　甲方的量子向上自旋，乙方的就必然向下；甲方的量子向左，乙方的就必然向右。這樣，雙方就能得到一組共享的密鑰，保密通信的條件就具備了。

　　讓我們感到開心的是，目前，中國是量子通信領域的最強王者。

　　毫不誇張地說，今天中國的量子通信技術全方位、多角度、無死角地領先歐洲和美國。

　　2016年，“墨子號”量子科學實驗衛星升空，首次在世界上實現了從太空到地面的、千公里級別的量子密鑰分發。哪怕量子通信的理論是美國科學家提出的，但西方國家至今仍沒有實現同等量級的項目， 我們在這個領域遙遙領先。

　　當“墨子號”划過華北的天空時，它可以和位於河北興隆的地面光學站建立光鏈路，也就是使用激光脈衝傳輸量子信號。通信距離645公里起步，最長可以實現1200公里。

　　相比起地面光纖傳輸量子信號時的巨大損耗，“墨子號”的傳輸效率要高20個數量級，每秒能向地面站發射4000萬個信號光子——“墨子號”每一次短暫地划過天空，就能和地面站之間生成300K字節的安全密鑰。這可以說是為日後的全球量子通信網絡打下了堅實的基礎。

　　有了衛星作為信號中繼站，就足以實現地球上任意兩點之間的保密通信，把量子密鑰的分發範圍從短短20km拓展到全球。

　　而當地面站向太空中的“墨子號”發射量子信號的時候，事情就變得更加科幻了：位於西藏阿里5100米海拔的地面站將會向“墨子號”發射一束激光脈衝，從地面向衛星發射糾纏光子。在實驗中，通信的距離最低500公里，最遠達到了1400公里。

　　根據中科院官方網站的描述：“地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態均以大於99.7%的置信度超越經典極限。倘若在同樣長度的光纖中重複這一工作，則需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀測到1個事例。”

　　雖然有的科學術語咱們不了解，但我們要注意的是中科院給這項技術的定性：這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網絡研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。

　　“空間尺度量子通信網絡”，也就意味着這項技術在將來會被運用到太空通信乃至星際通信之中。

　　還記得那句話嗎？

　　我們的目標，是星辰大海。

　　為什麼量子技術事關國家安全

　　回到文章開篇時候我們提出的結論：中國的量子通信，終將在5G時代成為保衛國家信息安全的隱形長城。

　　得出這樣的結論，取決於我們身處於什麼樣的時代。

　　目前，中國已經一隻腳邁入了5G的時代，大數據、物聯網已經成為了大眾所討論的熱門領域。在未來一段時間，我們將會見證更多新的技術投入使用：萬物互聯、無人駕駛、工業互聯網、數字貨幣。。。。。。等等新科技將逐漸改變中國人的生活方式和生產模式。

　　▲ 整個中國社會都在逐漸進入數字空間

　　誇張一點來說，5G時代就是一個將整個中國社會中的人、事、物都轉入數字空間的時代。既然如此，那麼未來數字和信息的安全就幾乎等價於全社會和公民個人的安全。

　　我們平時關注更多的是技術能在何種程度上讓生活變得更美好，但我們也不能忘了技術的陰暗面：那些改善我們生活的技術，在黑客的劫持之下，完全有可能變成揮向我們的屠刀。

　　隔三差五就被爆出的個人隱私泄露事件為我們敲響了警鐘——我們現在尚且沒有完全踏入5G時代，就已經泄露如此多的重要信息了。

　　根據國防科技大學的調查顯示：今天，黑客的攻擊已經對中國的信息安全構成了重大的威脅，95%的互聯網管理中心都曾遭受過網絡攻擊。其中，銀行、金融、證券機構是攻擊的重點目標。

　　2016年，全國發生了1800起數據泄露事件，近14億條信息外泄，簡直到了人均信息泄露的程度。而因為這些泄露的信息導致的各種電信詐騙之類的犯罪活動更是導致了915億元的損失，平均我們每個人都交了65塊錢的“信息泄露稅”。

　　2017年又發生了臭名昭著的“勒索病毒”事件，病毒占領受害人的電腦桌面，如果不給錢就要格式化電腦中的一切內容，僅短期內就造成了80多億美元的損失，波及了金融、能源、醫療等眾多行業。

　　財產的要害部門

　　個人和企業信息安全的戰場上，目前還是“道高一尺，魔高一丈”的被動局面，僅有3%的企業能應付信息威脅，剩下的97%要麼束手無策，要麼處處挨打。

　　並且，作為世界上數一數二的互聯網大國，我國的信息安全投入在IT總投入中的占比極低（1.04%），比世界平均值（2.34%）還要低，更別提和超過5%的日本和接近4%的美國比了。

　　可以說，我國公民和個人所面臨的信息安全威脅極其嚴重：誰沒有收到過詐騙短信？誰沒有見過自己手機上的不良推送和垃圾網站？

　　在未來的5G時代，隨着整個社會都開始轉入數字空間，網絡流量將呈現爆發式的增長。海量的工商業數據將會被上傳到雲端進行分析，大量的政務也將被搬到網絡上進行處理。

　　正因如此，我們的國家和社會才需要一個能夠在5G時代保衛我們生活的“超級防禦武器”；正因如此，最高決策層才會組織集體學習“量子技術”；正因如此，中國才在量子通信的世界賽場上拿下了多個第一。

　　量子通信技術的應用

　　中國的量子通信技術在世界上屬於領先水平，實驗性的安全信息傳輸超過了200km，實用化的安全傳輸達到了數十公里，量子通信網絡的建設早已開始了建設。

　　2005年，在潘建偉院士團隊的努力下，我們完成了13公里的自由空間量子同心實驗。

　　2007年，在郭光燦院士團隊的努力下，我們成功設計了“量子路由器”，並且搭建了小型的量子網絡。

　　2009年，多個研究團隊集體攻關，成功研製了“量子保密電話”，實現了“電話一打就通，語音實時加密，安全牢不可破”的性能指標。同年，國內首個“量子政務網”也在安徽蕪湖建成，我國的量子密碼保密通信進入了工程化的階段。

　　今天，在量子衛星的幫助下，我們實現了從北京到維也納7600公里的量子通信。

　　我們已經完成了量子通信的技術儲備和實用化的工程實踐，剩下的就是開足馬力，驅動整個量子通信產業的發展了。

　　作為消費者，很遺憾，短期之內我們可能還不能用上“量子互聯網”。畢竟，服務消費者的消費級產品的首要目標是盈利，在整個產業羽翼豐滿之前，消費級量子通信還有很長的路要走。

　　但是，在軍事國防領域，量子通信技術早已開始了運作。這也恰恰說明，最關心量子技術的並不是以營利為目的的企業家而是擔負保衛祖國任務的軍隊和安全人員。

　　在未來的戰場上，量子通信設備能夠向戰場上任意的兩個我方部隊分發量子密鑰，組成一個安全的軍事通信網絡。在信息化戰爭的時代，量子通信技術將能夠極大地增強我們自己的信息對抗能力。

　　在強大的量子通信系統的支持下，強敵與我之間將形成一種“單向透明”的狀態——我們總有辦法窺探敵人的機密，但敵人看我們卻像是望向了一片黑色的虛無。

　　結合“量子糾纏”的性質，量子通信對於深海安全通信的影響可能比對陸地、空中的影響更大。在經典通信時代，無線電波很難穿透海水。但糾纏的一對量子就算是隔着銀河系也能夠相互糾纏，對於潛伏於大洋深處的“水下蛟龍”來說，量子通信是可能改變遊戲規則的技術。

　　在軍事領域之外，政府、財稅部門對於信息安全的要求也很高。在這方面，我們已經完成了不少專用量子通信網絡的建設。安徽蕪湖的量子政務網是世界上第一個量子政務網，能夠實現聲音、文件、動態圖像的絕對安全，其帶寬甚至足夠支撐需要高度保密的視頻會議。

　　至於最關鍵的芯片問題。。。。。。作為掌握了世界量子通信最強技術的中國人，我們早就實現了量子通信網絡的國產化。

　　畢竟，玩這個東西的，全球只有中國一家。

　　早已開始布局

　　尾聲

　　前幾天最高決策層的集體學習再一次把“量子通信”放到了公眾面前。

　　根據我們的經驗，當一種技術被上升到了國家層面通常就意味着：第一，這項技術的前期準備工作已經基本完成，具備了開始投入實際運用的條件；第二，在5年之內，這項技術就會得以落實。

　　2019年10月24日，最高決策層集體學習了“區塊鏈”技術，今年數字貨幣就開始籌備試用，2022年北京冬奧會的前後有可能開始全面使用。

　　對於量子通信來說，今年被提高到了國家層面，也許到了2025年前後，就能夠實現企業級別的廣泛使用了。

　　今天的量子物理世界，中國人占據了相當多的陣地。人工可控核聚變、超導、量子通信、量子計算。。。。。。在量子物理學的各個研究方向上都有中國科研團隊取得成功的消息傳來。

　　回想起一百多年前，當量子物理學剛剛開始起步的時候，莫說是量子物理學，哪怕是經典物理學界內都找不到一個中國人的影子。

　　近代中國的歷史悲劇，根源就在於科學思想的落後。

　　1801年，清朝嘉慶六年，當英國物理學家托馬斯·楊已經開始設計“雙縫干涉實驗”來研究光是粒子還是波的時候，我們還沉浸在“天朝上國”“君君臣臣父父子子”的封建思維中。

　　▲英國物理學家 托馬斯·楊（1773-1829）

　　歐美已經開始利用科學的力量征服世界，嘉慶皇帝卻還在為白蓮教起義而焦頭爛額。

　　我們在經典物理學、經典計算機和經典通信時代欠的學費實在是太多了，以至於我們用了一百年的時間才終於重新衝到了第一梯隊的位置。

　　量子技術，在這個已經被證明是“代表未來”的先進領域，我們絕不能放棄任何機會。

　　錯失了經典物理學的那個年代，列強的炮艦能夠在長江上往來縱橫。

　　在這個我們挺進量子世界、推廣5G的時代，以量子通信技術為代表的種種先進科技必將成為保衛我們的隱形長城。