潘建伟：希望通过20年、30年的努力推广量子保密技术

11月7日消息（颜翊）量子科技作为一个国家战略一直受到国家高度重视，10月中旬，习近平总书记专门在中央政治局主持了关于量子科技的学习并指出，要统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发，要培育量子通讯等战略性新兴产业，抢占量子科技国际竞争制高点，来构筑发展的新优势。

从原理提出到现在，量子科技经过了近30年的技术研发，它不仅是我们的国家战略，实际上也是全球的高科技战略。2018年12月，美国启动了为期十年的国家量子行动计划，2020年又发布了美国量子网络的战略构想。与此同时，英国、欧盟，德国近几年也都纷纷启动了相关的量子技术计划。

在今日举办的“智享·云上”2020天翼智能生态博览会开幕式暨第十二届天翼智能生态产业高峰论坛上，中国科学院院士潘建伟发表了题为《新量子革命》的演讲。他回顾了量子科技发展的历程，展示了量子科技在通信领域的应用，同时为我们描绘了未来量子科技更加广阔丰富的应用场景。

解决现代信息技术瓶颈

潘建伟表示，最早的量子革命其实直接催生了现代信息技术的发展，1990年普朗克提出量子论之后，无论在信息领域、能源领域、材料领域和生命领域量子技术都有非常广泛的应用，从某种意义上来讲，正因为量子技术的发展才催生了现代的信息技术。在当下，在人民享受着现代信息技术给我们生活带来便利的同时，现有的技术也已遇到瓶颈。

第一方面是信息安全的瓶颈。无论在网络终端、传输网还是服务器等地方，我们都面临着各种各样网络信息安全的威胁。网络安全的一个基石就是所谓的加密算法，而经典加密算法主要依赖于计算复杂度，理论上都是会被破解的。比如说RSA512位，1999年被破解了，768位在2009年被破解了。目前美国也在主导研究一些后量子密码来连接计算机时代的到来。与此同时，随着大数据时代的到来，我们对算力也有了很强的要求，但是目前全世界的计算能力，包括我们的手机全部加起来都没办法一年里完成对2的90次方数据的穷举搜索。我们以往发展算力的模式是把集成度越做越高，但是随着晶体管的尺寸达到了纳米量级，晶体管的原理将不再适应，也就是摩尔定律已经逐渐逼近极限。

有意思的是，量子力学在第一次量子革命当中催生了现代信息技术的发展，经过百余年的发展过程，它自己已经为解决这些问题做好了技术的准备。

什么叫量子？量子其实非常简单，它只是一个物质的概念，在微观世界的一种范畴，也就是它是构成物质的基本单元，也是能量的基本携带者，它一个基本特性叫做不可分割。什么意思呢？比如说一束激光器照过来，如果你能够拿着一个非常细微的能量器去测量的话，发现这束光里面其实是由一个个小颗粒组成的，叫做光子，光子是不能再分的，不能分为1/2、1/3的光子，对于这样的微观个体跟我们的每天生活不一样。在我们每天生活当中，比如有一只猫只适合这个状态里面的某一个，或者开和关，所以给它加载一个比特的信息，但到量子世界，这个微观个体不仅可以处于活的状态，也可以处于死的状态，在某些特殊的条件下可以处于又死又活相关状态的叠加。这种概念用到两个粒子的时候就产生了量子纠缠的概念，这两只猫处于这样一种活活加上死死叠加的时候，不管它们相距多少遥远，你去测量它的时候当时的结果是随机的，但是两边的结果是一模一样。

量子科学家在研究中发展了量子调控技术，从而催生了量子信息技术。量子调控技术是什么样子呢？比如拿一杯水让你喝掉一口，就像一个经典的技术，很简单。但是请你喝掉一个水分子，这在技术上变成非常困难的问题，一旦你掌握了这种技术之后就可以做很多事情，就可以对量子状态进行主动调控。

目前这个技术有两个典型应用，一个叫做量子通讯，它可以提供一种原理上是无条件的安全的通讯方式，利用量子计算可以提供一种超快的算力。具体来说，量子通讯里面有两种典型的应用方式，目前比较成熟的是先用它来输入密钥，它的原理非常简单，潘建伟形象描绘道：“张三给李四专门送一个单光子过去，如果中间有一个窃听者的话，因为这个光子是不可分割的，所以它不能像传统的光通讯里面可以分出一点来，你可以窃听光路里面的信息，但是在送密钥信息过程中，要么把单光子拿走了，要么没有拿走，拿走的这些密钥就不要了，没拿走这些可以产生密钥。”

“利用量子的不可分割性，量子叠加性提供原理上安全的量子密钥分发，有了这个密钥分发就可以实现加密内容不可破译的保密通讯，这就是跟传统光通讯的不同之处。”潘建伟称。

他表示，对于量子通讯，大家更希望的应用方式是直接传递信息，信息本身可以作为一种量子计算的基本单元。我们可以构建一个量子计算网络，其算力可以呈指数增长，比如说大数分解，利用万亿次经典计算机分解一个300位的大数，需要15万年，而利用万亿次的量子计算机就只需要1秒钟。

面向未来的应用场景

那么量子技术走向实用到底需要多长时间？潘建伟介绍称，在量子通讯方面，尤其是量子保密通讯已经比较成熟了，我们可以非常方便地利用传统的光纤网络来进行量子密钥的分发，实现城域的量子保密通讯，利用中继可以实现城市间的量子通讯，来自卫星远距离支持之下可以开展广域的量子通讯。这在过去20年中，我们国家的很多学者、团队都做了一些工作。按照目前的技术发展，大约3-5年后，收发端就可以集成到传统的通讯系统里面，它的大小大概就是手机大小。因为起步较早，这些核心器件都已实现国产化。它的应用也比较简单，就是在传统光纤里面加一些辅助的设备，可以把密钥送到千家万户，如果说你要绝密就要一次一密，如果不是绝密的，也可以跟经典的加密算法结合在一起进行安全和效率双兼顾的保密通讯，其稳定性跟传统的光通讯是一致的。

目前，中国在国际通信联盟和国际标准化组织里面都在牵头进行量子密钥分发的安全的要求和评估方法。在自由空间方面，经过十多年的努力，墨子号的量子卫星发射成功，较好地完成三大任务，潘建伟团队也做了一些原理性相关的工作。他表示，从长远上来讲，希望在未来发展中，高轨卫星和低轨卫星的结合能够实现大容量的密钥分发，以满足密钥部门业务化的运营。

潘建伟还介绍了其有关量子计算方面的一些部署，首先第一步是想造出一台机器，可以比目前最快的超级计算机算得快。第二步希望能够做几百个量子比特的专用量子模拟机，它能算一些很有用的事情。将来通过20年左右的努力实现通用量子计算。

他认为，量子计算目前的发展比我们想象的要快。谷歌在2019年底宣布实现量子优越性，实现了在200秒内完成当时世界上最强大的超级计算机需要1万年的时间才能完成的计算。近期我国在光子体系和超导体系也有望超越谷歌的量子优越性。从远期来讲，我们希望通过20年、30年的努力先推广量子保密技术，将来随着量子技术的发展，可以在云上提供强大的计算能力，这样就可以实现天地一体的量子互联网，当然前提是我们具备基本功能通用的量子计算机。

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