重器解讀
2016年8月，墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空，成功完成了中國探索星地量子通信可行性的使命，并首次在空間尺度驗(yàn)證了量子非定域性的正確性。
光纖量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)安全距離可做到404公里，“墨子號(hào)”可做到星地1200公里，這是中國量子通信領(lǐng)先世界的標(biāo)志。
量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，世界首個(gè)遠(yuǎn)距離量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”已經(jīng)正式開通，同時(shí)結(jié)合“京滬干線”與“墨子”號(hào)的天地鏈路，中國和奧地利之間首次成功實(shí)現(xiàn)洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)了加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。
量子通信正逐漸走進(jìn)日常生活，或許10多年后，量子通信就會(huì)走進(jìn)尋常百姓家，讓原本屬于你的私密真正屬于你本人。
靜謐遙遠(yuǎn)的地理空間，兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的微觀物體，一個(gè)改變狀態(tài)，另外一個(gè)也會(huì)隨著改變，仿佛這二者之間是通過了某種神秘渠道得以緊密相連。
在量子物理的諸多奇異現(xiàn)象中，“量子糾纏”或許是其中最不可思議的一種。以至于偉大的愛因斯坦，在1935年得知這個(gè)現(xiàn)象后，難以置信地稱之為“鬼魅般的超距作用”。
是不是很有趣？
不止有趣，全國政協(xié)委員、中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉還推進(jìn)了它的“有用”。
2016年8月16日1時(shí)40分，夜空中發(fā)出的耀眼強(qiáng)光，照亮了整個(gè)酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地———墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射升空。這次星際之旅成功完成了中國探索星地量子通信可行性的使命，并首次在空間尺度驗(yàn)證了量子非定域性的正確性，為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。
換句話說，中國有可能率先建立一個(gè)全球化的、原理上無條件安全的通信網(wǎng)絡(luò)，這就是“量子通信”。
為此，中國墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)，將2018年度紐科姆·克利夫蘭獎(jiǎng)收入囊中。這是美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)歷史最為悠久的獎(jiǎng)項(xiàng)之一，自獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立90余年以來，中國科學(xué)家在本土完成的科研成果獲得這一榮譽(yù)，尚屬首次。中國在量子信息這個(gè)多學(xué)科融合前沿技術(shù)中所取得的國際學(xué)術(shù)地位，由此可見一斑。
如今，就讓與這神秘的“糾纏”糾纏了十幾年的潘建偉，帶我們?nèi)タ纯催@個(gè)微觀世界，是如何影響宏觀世界的。
“信息安全，無論對國家還是對個(gè)人都有重要意義”
記者：墨子號(hào)量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，在國際范圍內(nèi)收獲了巨大關(guān)注與贊譽(yù)。這件在量子信息技術(shù)領(lǐng)域堪稱里程碑式的事件，意義何在？
潘建偉：2018年，素有諾貝爾獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)之稱的“沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)”在獲獎(jiǎng)?wù)呓榻B中專門提到：“量子密鑰分發(fā)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在光纖中已經(jīng)能做到幾百公里，用衛(wèi)星可以做到上千公里”。光纖量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)安全距離做到404公里，另一個(gè)就是“墨子號(hào)”做到的星地1200公里，這是中國量子通信領(lǐng)先世界的標(biāo)志。
值得一提的是，量子通信利用量子力學(xué)原理對量子態(tài)進(jìn)行操控，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務(wù)。量子密鑰分發(fā)可以實(shí)現(xiàn)無條件安全的密鑰分發(fā)，就算竊聽者有全宇宙最強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，哪怕是量子計(jì)算機(jī)，也不能破解加密后的信息。使用量子密鑰分發(fā)技術(shù)可以幫助實(shí)現(xiàn)通信安全中機(jī)密性、真實(shí)性和不可否認(rèn)性的無條件安全，也就是說，保證通信加密無法破譯，保證對方身份真實(shí)可靠，保證信息無法被篡改。
記者：同為通信領(lǐng)域，與現(xiàn)在大家熱議的5G相比，量子通信最大的“爆點(diǎn)”在哪里？
潘建偉：量子通信本身有兩個(gè)重要應(yīng)用，其中一個(gè)叫量子密鑰分發(fā)，或者叫量子保密通信，通過一種原理上無條件安全的密鑰分發(fā)手段實(shí)現(xiàn)信息傳輸，為遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間任何兩兩用戶，建立起安全有效的通道或者信道，這是屬于信息安全的范疇。我們通常所說的量子通信就是指這個(gè)范疇，在通信領(lǐng)域主要解決的是傳輸信息的安全問題，不解決速度問題。
未來的通信是什么樣的？第一要是移動(dòng)無線的；第二，高速率的，比如5G；第三就是安全的。量子保密通信解決的是未來通訊三要素中的安全性問題，而5G解決的是高速率問題。
量子信息技術(shù)的第二個(gè)重要應(yīng)用，量子態(tài)隱形傳輸也有一種有趣的應(yīng)用方式，我們稱之為密集編碼，用量子糾纏態(tài)進(jìn)行傳輸，從原理上也是能夠提高傳輸?shù)乃俾?，或者擴(kuò)大信道的容量。但是這個(gè)技術(shù)不會(huì)很快就能實(shí)現(xiàn)，還需要更多努力和更長的時(shí)間。
今后5年我們的目標(biāo)是，在量子保密通信的應(yīng)用上，進(jìn)一步開展技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用示范，降低設(shè)備成本，對用戶更加友好，讓完全不懂量子力學(xué)的用戶也可以使用設(shè)備。然后通過對攻防的研究測試安全性，制定標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)軟硬件可控可信。隨后在未來5到10年內(nèi)，就會(huì)有大規(guī)模的相關(guān)應(yīng)用出現(xiàn)。
記者：如果現(xiàn)在量子通信主要致力于解決通信的安全性問題，這對國家信息安全意義重大，普通老百姓是否也很需要？
潘建偉：當(dāng)然了，老百姓的私人信息也是需要保密的。比如個(gè)人賬戶的資金轉(zhuǎn)移，未來更多的移動(dòng)終端操作，關(guān)鍵信息會(huì)不會(huì)泄露關(guān)乎每一個(gè)用戶。
再比如未來的無人駕駛，需要有人從遙遠(yuǎn)的終端進(jìn)行控制，假如被黑客控制，車輛行駛的安全性就得不到保障。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，我們還沒有到家，就會(huì)用無線控制機(jī)器人提前把水燒好，甚至把飯做好。如果這個(gè)系統(tǒng)被黑客入侵，在不該開燃?xì)獾臅r(shí)候自動(dòng)打開，后果可以想象。這個(gè)時(shí)候，安全的通信手段特別必要，要讓原本屬于你的權(quán)益真正屬于用戶本人。因此隨著未來信息化不斷深入推進(jìn)，信息安全，無論對國家還是對個(gè)人，都有著非常重要的意義。
“科技創(chuàng)新的魅力在于不確定性”
記者：“量子糾纏”產(chǎn)生于兩個(gè)微觀粒子之間，且產(chǎn)生的原理尚不明確，那么從理論通往實(shí)踐之路注定不會(huì)平坦。中國的量子通信是如何“從夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”的？
潘建偉：坦白講，我們的研究是從是量子力學(xué)開始，起初并不是奔著量子信息技術(shù)去的，只是被一步一步推到了現(xiàn)在。因?yàn)橐豁?xiàng)科學(xué)技術(shù)的研究，沒有人能從一開始就預(yù)見到未來。
回憶當(dāng)時(shí)，1996年我們在實(shí)驗(yàn)室里，只能把量子密鑰傳輸距離做到幾十厘米，隱形傳態(tài)也是只能傳輸30多厘米。我有一個(gè)非常要好的朋友———是這個(gè)領(lǐng)域提出糾纏量子密碼的先驅(qū)性人物——當(dāng)時(shí)就斷言：在有生之年不會(huì)看到這項(xiàng)技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。而2016年我們的量子衛(wèi)星發(fā)射，2017年又把千公里級量子糾纏分發(fā)做出來時(shí)，他簡直說不出話，覺得這是匪夷所思的事情。
從這個(gè)角度來講，我非常欽佩國家有關(guān)部門的前瞻性和魄力。在量子信息技術(shù)的研究還處于初級階段時(shí)，他們就看到了這項(xiàng)技術(shù)在信息安全上的巨大潛力，希望研究能繼續(xù)推進(jìn)下去。當(dāng)理論在實(shí)踐層面出現(xiàn)真正需求時(shí)，轉(zhuǎn)化的時(shí)機(jī)就成熟了。在隨后數(shù)年時(shí)間里，我們把安全距離從公里到十公里到百公里再到400公里逐級推進(jìn)，在不久的將來，我們還將拓展到500-700公里。然后再遠(yuǎn)的距離怎么辦？量子衛(wèi)星就是解決更遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}。
所以，我們在進(jìn)行一項(xiàng)研究時(shí)，并不能確定會(huì)成功，但科技創(chuàng)新的魅力正在這里。
記者：您所說的科技創(chuàng)新的魅力是“不確定”性？還是在不確定性中的堅(jiān)持？
潘建偉：科技創(chuàng)新整個(gè)過程一般會(huì)經(jīng)過三個(gè)階段：
第一個(gè)階段，別人都說不靠譜。1999年到2000年，我在國內(nèi)到處呼吁做量子信息技術(shù)的研究時(shí)，很多人說，你這個(gè)量子糾纏是什么遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)，不靠譜。甚至有人還認(rèn)為量子信息是偽科學(xué)；
第二個(gè)階段，我們自己堅(jiān)持做這項(xiàng)研究，逐漸有了一定進(jìn)展和成果時(shí)，又有人會(huì)說，理論上可行，但屬于基礎(chǔ)研究，還不成熟有待完善，實(shí)現(xiàn)工程化還有一定距離；
第三階段，再過十年、十五年，當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)被廣泛使用后，大家也許會(huì)習(xí)以為常，甚至認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)不夠新了。
到此，科技創(chuàng)新的整個(gè)鏈條才算完成。
從懷疑，到將信將疑，到習(xí)以為常———一路走來，其實(shí)就是要堅(jiān)持堅(jiān)守，要踏踏實(shí)實(shí)去做。一開始我們也沒有想到量子保密通信的安全傳輸距離能達(dá)到幾千公里，再看現(xiàn)在，我們已經(jīng)開始準(zhǔn)備利用中高軌道衛(wèi)星做萬公里級的量子通信了。這在20年前，是做夢都不敢想的事情。事實(shí)證明，只要腳踏實(shí)地，就會(huì)一步一步走到想要去的地方。
“從實(shí)用化到產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)化”
記者：任何一項(xiàng)技術(shù)的演進(jìn)，都是為了讓世界更美好，目前量子信息技術(shù)的應(yīng)用情況如何？存在什么難點(diǎn)？
潘建偉：國家發(fā)展改革委立項(xiàng)的世界首個(gè)遠(yuǎn)距離量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”已經(jīng)正式開通。“京滬干線”連接北京、上海，貫穿濟(jì)南、合肥，全長2000余公里，全線路密鑰率大于20kbps，可為沿線金融機(jī)構(gòu)、政府部門等提供高安全等級的量子保密通信業(yè)務(wù)支持。同時(shí)，結(jié)合“京滬干線”與墨子號(hào)的天地鏈路，中國和奧地利之間通過墨子號(hào)量子衛(wèi)星在國際上也首次成功實(shí)現(xiàn)了距離達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)了加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。
當(dāng)前率先實(shí)用化的量子保密通信技術(shù)從實(shí)用化到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用，的確還面臨著不少挑戰(zhàn)。其中，標(biāo)準(zhǔn)化是關(guān)鍵一步，是未來產(chǎn)業(yè)成熟發(fā)展的基石。
面對挑戰(zhàn)，我國也正全力推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作，2017年設(shè)立的量子通信與信息技術(shù)特設(shè)組，已有44家會(huì)員單位，正在圍繞量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)體系的術(shù)語、應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)要求、測試方法、應(yīng)用接口等內(nèi)容編制有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另外，我國專家在ISO/IEC國際標(biāo)準(zhǔn)化組織啟動(dòng)了量子保密通信技術(shù)的全球首個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，正式開啟國際標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。
記者：據(jù)了解，兩會(huì)結(jié)束后，您將作為九三學(xué)社“科普中國——科學(xué)大咖面對面”第三期的主講嘉賓，為眾多科學(xué)愛好者作題為“新量子革命”的報(bào)告。很多人都認(rèn)為量子信息技術(shù)非常高深，晦澀難懂，為什么您堅(jiān)持要對公眾做科普？
潘建偉：2016年，習(xí)近平總書記在“科技三會(huì)”上指出，“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置”。我非常認(rèn)同，如果大家都對科學(xué)不感興趣，我國創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略就難以實(shí)施，如果一個(gè)國家沒有崇尚科學(xué)的土壤，科技創(chuàng)新就難以實(shí)現(xiàn)。從另一個(gè)角度，國家投入這么多，我們理應(yīng)讓納稅人知道我們在研究什么，這些研究的應(yīng)用價(jià)值在哪里？要讓每一個(gè)納稅人覺得對科學(xué)方面的投入是值得的。
還有最重要的原因，來自于一個(gè)很深的感觸。在國外做科研與在國內(nèi)做科研有一個(gè)很大的不同，在國內(nèi)做科研，大家最喜歡問的是，最近發(fā)表了什么重要論文？研究有什么成果和突破？獲得什么獎(jiǎng)項(xiàng)？而國外一般會(huì)問，這項(xiàng)研究到底是什么？有什么有趣的地方？你為什么要做這個(gè)？有什么作用怎么實(shí)現(xiàn)？兩相對比，國外關(guān)心的是過程，是科學(xué)本身，而國內(nèi)注重的是結(jié)果，稍顯功利。但是通過對公眾的科普，就會(huì)引起大家對這項(xiàng)科學(xué)本身的興趣，對做這項(xiàng)技術(shù)的動(dòng)機(jī)更感興趣，從而能有耐心地堅(jiān)持研究。
尤其在信息爆炸的當(dāng)今時(shí)代，各種真假信息的傳播中，“真科學(xué)”和“偽科學(xué)”區(qū)別就在一線之間。現(xiàn)在社會(huì)上已經(jīng)有人打著“量子”的概念，捏造出量子掛墜、量子水以及量子鞋墊，宣稱可以保健防癌等等。如果不進(jìn)行科普，大家就不能區(qū)分什么是真科學(xué)什么是偽科學(xué)。所以只要時(shí)間允許，我們都會(huì)盡量多地去做一些科普工作，一方面讓更多人對科學(xué)感興趣，另一方面厘清誤區(qū)、破除誤導(dǎo)，重塑公眾對科學(xué)的敬畏。對科技創(chuàng)新的崇尚與跟隨，這才是其中的重要意義。
（本文轉(zhuǎn)載自《人民政協(xié)報(bào)》2019年3月7日 06版 記者 包松婭）
