在加解密場(chǎng)域_你選擇劍還是選擇盾？

量子通訊主要應(yīng)用在量子加密，是未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)通訊主干。將來(lái)沒(méi)有量子通訊網(wǎng)絡(luò)整個(gè)國(guó)家立刻會(huì)變成信息孤島。

量子通訊(quantum communication)是量子信息(quantum information)產(chǎn)業(yè)中一個(gè)主要的次領(lǐng)域，雖然目前不如量子計(jì)算是當(dāng)紅的科技顯學(xué)，但重要性可能有過(guò)之而無(wú)不及。

量子通訊主要的應(yīng)用在量子加密(quantum cryptography)，是未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)通訊主干。可以想象若一個(gè)國(guó)家如果沒(méi)有量子計(jì)算機(jī)可能只會(huì)在材料、制藥等領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)遲滯，但是沒(méi)有量子通訊網(wǎng)絡(luò)則整個(gè)國(guó)家立刻會(huì)變成信息孤島。因?yàn)樾畔⒁坏挠辛孔泳W(wǎng)絡(luò)的地方傳入傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，馬上變的透明，所有的業(yè)務(wù)、財(cái)務(wù)往來(lái)等因而有極高的風(fēng)險(xiǎn)，沒(méi)人敢跟你有信息往來(lái)。

美國(guó)最近正在草擬兩個(gè)法案－包括National Quantum Initiative與另一個(gè)以陸軍和海軍為主的研發(fā)計(jì)劃－以確保美國(guó)在量子信息領(lǐng)域發(fā)展的領(lǐng)先。整體來(lái)說(shuō)，美國(guó)在許多量子信息領(lǐng)域還保有領(lǐng)先。譬如在量子計(jì)算中，美國(guó)的專(zhuān)利仍然以4:1的比數(shù)領(lǐng)先中國(guó)，但是在量子通訊領(lǐng)域的專(zhuān)利，中國(guó)自2014年后就超過(guò)美國(guó)。特別是墨子衛(wèi)星在2016發(fā)射后，去年又展示了在北京與維也納之間的視訊會(huì)議，這一切令美國(guó)快馬加鞭推進(jìn)。

盡管同為量子信息中的次領(lǐng)域，量子通訊可能先于量子計(jì)算進(jìn)入應(yīng)用階段。荷蘭Delft University正在部署4個(gè)城市之間的量子通訊網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)2020年可以初步展示；國(guó)內(nèi)則開(kāi)始在北京、濟(jì)南、合肥、上海4個(gè)城市之間建立2,000公里長(zhǎng)的量子通訊網(wǎng)絡(luò)骨干架構(gòu)，雖然民用的網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)尚需10~15年的光景。

量子信息技術(shù)的挑戰(zhàn)一直都是如何將多個(gè)量子位元纏繞(entanglement)起來(lái)，纏繞指的是2個(gè)以上的量子位元經(jīng)過(guò)交互作用而將其量子狀態(tài)連結(jié)起來(lái)，這些纏繞的量子位元狀態(tài)－即使相互之間的距離再遠(yuǎn)－在量測(cè)其物理特性時(shí)會(huì)呈現(xiàn)特殊的相關(guān)性。量子位元纏繞是一切量子信息運(yùn)行的根本機(jī)制，只不過(guò)量子計(jì)算的量子位元間距離較近、數(shù)量較多；而量子通訊的量子位元間距離較遠(yuǎn)、數(shù)量較少。而相互纏繞的量子位元數(shù)量少，難度就沒(méi)那么高，比較容易達(dá)標(biāo)。

量子位元的相互纏繞需要謹(jǐn)慎的維持，避免外界電、磁、熱等各種雜訊破壞纏繞－術(shù)語(yǔ)叫退相干(decoherence)，所以量子計(jì)算機(jī)需要在極低溫下運(yùn)行是目前技術(shù)條件的必然環(huán)境。量子通訊以前較大的問(wèn)題是產(chǎn)生量子位元纏繞的速度還不如退相干的速度，量子通訊因此變得不可靠甚或不可行。

量子通訊最近突破性的進(jìn)展是可以用決定性(deterministic)的方式有效率的產(chǎn)生纏繞態(tài)(注)，講決定性是相對(duì)于量子現(xiàn)象天生是機(jī)率(probabilistic)的特性。方法說(shuō)穿了不值錢(qián)，就是在一個(gè)時(shí)間區(qū)段內(nèi)高頻率的制造纏繞態(tài)直到成功為止，這樣在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生纏繞態(tài)就是決定性的。但是在工程和物理上需要?jiǎng)?chuàng)新，才能達(dá)到需要的效率以及纏繞態(tài)的保真度(fidelity)。在量子通訊的應(yīng)用上，這是基礎(chǔ)區(qū)塊。

在網(wǎng)絡(luò)通訊安全這個(gè)議題上，量子計(jì)算與量子通訊是孿生的，因?yàn)榱孔佑?jì)算的Shor's算法很容易破解公鑰架構(gòu)(PKI)中的私鑰，不能被攔截、不能被復(fù)制的量子通訊應(yīng)運(yùn)而生。在加解密這個(gè)場(chǎng)域中，量子計(jì)算扮演的是劍、量子通訊扮演的是盾的角色。手中有劍有盾固然好，但是如果只能選擇一個(gè)，你選擇劍還是選擇盾？