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至少领先欧美5年,量子技术将是5G中国的隐形长城

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  本期内容非常硬核,请各位观众老哥们仔细品味!

  前几天,新华社一则新闻引起了很多人的关注:最高决策层的大佬们集体学习了量子科技的研究和应用前景。

  决策层对于“量子科技研究和应用前景”的定性是“对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。”

  各位请注意,量子科技的研究与应用,是一件和国家安全挂钩的事。

  与之对比,一直热度都很高的“区块链研究和应用”的定性则是:区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用。

  国家安全 VS 技术革新与产业变革

  孰轻孰重,一眼便知。

  对区块链最感兴趣的,

  可能是投资人和企业家。

  对量子技术最感兴趣的,

  可能是军方和情报人员

  中国的量子通信,终将在5G时代成为保卫国家信息安全的隐形长城,中国量子通信技术至少领先世界5年。

  信息从古到今都具有战略性的安全意义——从烽火台到飞鸽传书,从无线电到互联网,通信和军事情报之间,往往仅有一线之隔。

  二战时期,纳粹德国空军计划轰炸英国城市考文垂。尽管英国情报人员已经破译了德国的“恩格玛密码机”,但是为了不让德国人怀疑自己被窃听,只能使苦肉计,忍痛牺牲考文垂。

  

  ▲百年古城化作焦土

  只为掩盖窃听真相

  坐看历史古城考文垂被炸成一片废墟,上千军民死伤,目的只是为了从战略上欺骗对手,让德国人蒙在鼓里。这可能是经典通信时代之中最具有戏剧化的场景,它包含了一切经典通信的要素:被加密的信息,对密钥的破译,窃听和窃听掩盖。

  但在量子通信时代,“忍痛牺牲考文垂”这样的苦肉计将毫无价值——因为量子通信做到了“从数学上被证明的无条件、绝对安全”,任何窃听都必然暴露——这是所有情报机关和安全人员做梦都想获得的能力

  

  量子通信的两种技术路线

  在了解量子通信之前,我们需要先了解一下量子物理的一些基本概念。

  量子的定义是德国物理学家普朗克提出的,我们可以理解为一个物理量无可分割的最小单位。如果一袋大米是一个物理量,那么每一粒米就是不可分割的最小单位,就是一个“大米量子”。于是,这袋大米就被量子化了。

  

  ▲ “定量贤者”普朗克

  而量子拥有三个极其重要的特性:不可复制,不确定,相互纠缠。这三种特性就是量子通信能做到绝对安全的基础。

  所谓的不确定性,来自于著名的“双缝干涉实验”,简单来说就是:当科学家们试图观察光的波动性的时候,他们居然发现:当人们观察光传播过程的时候,光是一个个的粒子,而当人们不观察过程、只看结果的时候,光成了电磁波。

  就像一个射手,当没人看他的时候,他百发百中。一旦有人盯着他看,哪怕隔着几公里用望远镜在偷窥,他都完全没办法打中目标。

  对此,德国科学家海森堡的解释是:观测仪器会对微观粒子造成影响,人们无法观测到微观粒子的动量和位移。

  简而言之:怎么测都测不准。这就是著名的“测不准原理”,也叫“不确定性原理”。

  

  ▲ “不准道人”海森堡

  既然怎么测都测不准,那么想复制一个量子也就无从谈起了,所以量子还具有不可复制的特性。

  这就等于是“上帝的信封”——别说打开看看了,哪怕只是瞥了封面一眼都能暴露无遗。

  第一种技术路线:量子密钥分发

  1984年,美国科学家Bennett和密码学家Brassard提出了利用“不可克隆”性质实现量子密钥分发的方案。这种精妙无比的方案,后来被称为“BB84协议”。

  从那时起,量子加密通信的时代正式开启了!

  BB84协议的核心思路就是用光子(光的量子,量子化的光)的特性来实现密钥的设计。光子有两种状态:圆偏振和线偏振。作为普通人,我们可能不太理解这些术语,但我们只需要知道下面两点就可以了:

  简单粗暴来说:

  圆偏振有两种状态:左倾和右倾

  线偏振有两种状态:水平和竖直

  发送者把一个滤光片放在发射器之前,当光子发出后,在滤光片的作用下,光子开始发生偏振。对接收方来说,他并不知道发送者使用什么样的滤光片,于是只能随便选择一个滤光片来进行接收。

  

  当发送者选择“|”竖直滤光片,光子偏振状态将变为竖直,如果接收者恰巧选择十字形状滤光片,光子就能够顺利通过,并不改变最初的偏振状态

  

  当发送者选择“一”水平滤光片,光子偏振状态将变为水平,如果接收者不巧选择X形状滤光片,光子就无法顺利通过,就会改变最初的偏振状态,接收者拿到的将会是左偏振或右偏振的光子。

  

  在正式进行通讯的时候,发送者发射四个光子,分别按照“竖直、水平、左倾、右倾”的顺序选择滤光片。接受者由于不知道发送者的选择,于是随意地按照“十,X,十,X”的顺序选择了滤光片。

  到此,接收者就接到了四个光子。但此时,他并不知道最开始发送的光子是什么状态,因为一旦自己选的滤光片和发送者的选择不一样,光子的偏振状态就会改变。

  所以,接收者此时就必须给发送者进行联络,把自己收到的光子偏振情况告诉发送方。发送方也并不需要说太多,只需要告诉接收方第几个偏振方向和自己的滤光片顺序一致即可,对双方一致的光子偏振进行编码,即可得到一组共享的密钥。

  需要注意的是,这个过程是通过经典通信渠道进行的。在这个过程中,交换的信息只有“第X个是一致的”这样毫无营养的内容,即便泄密也并无影响。

  

  根据BB84协议,竖直和左倾的偏振将被记为0,而水平和右倾的偏振将被记为1。于是,根据之前的操作,最后因为只有1号(竖直)和4号光子(右倾)是一致的,所以最终记为01。

  这个“01”就是双方都掌握的密钥。对发送方来说,自己发射的光子长啥样自己是清楚的,所以他自然知道密钥;对于接收方来说,因为和发送方沟通过,也知道密钥是什么。

  在量子世界里,只要测量就会改变量子本来的面貌且无法复制量子,所以最终接收者接到的光子必然会和发送的大不相同:发射过来的竖直偏振量子,在被窃听之后变成了左偏振,接收者和发送者只要核对一下就知道出问题了。

  就算窃听者碰巧用了和发送者一模一样的滤光片,得到了光子的最初状态。呵呵,现实中一个脉冲里就有千千万万个光子,难道每一个光子的状态都能蒙对不成?

  与其琢磨发送者安排滤光片的顺序,窃听者不如直接上门把发送者绑过来严刑拷打。

  这种从理论上就落实的绝对安全,就是量子通信的底气所在。

  

  可以说,量子密钥分发技术,相当于是给传统的经典通信渠道加了一把无法破译的量子密码锁。

  基于纠缠的量子密钥分发

  BB84协议所设计的量子密钥分发方案尽管有了安全保证,但因为目前的技术还不成熟,实际使用的情况下仍然存在许多问题。其中一个问题就是距离太短:由于每次通信时候的光子是一颗颗发送的,在长距离通信的过程中不可避免地出现损耗,因而目前只能实现20km范围内的通信。如果想增加距离,就必须修建大量的中继站,但中继站被劫持又成了新的安全威胁。

  20km,说难听点,够干啥?

  于是,第二种技术路线出场的时候到了。

  在第二种技术路线中,通信双方并不需要发送和接收光子就可以实现量子通信,这对于窃听者来说就极其不友好了,他甚至连插手的空间都没有。

  这种技术路线就是基于“量子纠缠”的密钥分发。

  “量子纠缠”是一种现象,指的是:在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子缠结或量子纠缠(quantum entanglement)。 量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;在经典力学里,找不到类似的现象。

  

  ▲ 量子纠缠 示意图

  通俗来理解,就是一对预先被制备好的量子,即便彼此被分隔在银河的两端,只要我们改变其中一方的状态,另外一方的状态也会瞬间变化。

  在量子力学刚刚开始发展的那几年,这种心电感应一样的“灵异现象”甚至让爱因斯坦、薛定谔都翻车了——量子纠缠无视距离,莫非意味着这世间有超越光速的存在?

  连“量子纠缠”这个词都是虐猫狂人薛定谔用来嘲笑早年间以玻尔为代表的那群量子物理学家的“蔑称”。

  现在,量子纠缠被证实了。只不过纠缠的两个量子之间出现的只有状态的同步,并不能用来传递信息,也并不会超越光速。就像是远在美国的女儿生了孩子,在中国的妈妈瞬间就会变成姥姥......这是一种预先存在的事实与本质,和信息传递无关。

  想传递有价值的信息,还是得靠经典的通信渠道,但量子的纠缠却可以被用来制作密钥。

  基于量子纠缠的密钥分发就是利用这样的一种原理:将预先制备好的一对纠缠量子分别发送给不同地点的通信双方。再结合之前“量子不能测,一测就变态”的规律,当甲方测定了量子的状态后,量子就坍缩了(状态固定了),千里之外乙方的量子也就瞬间变成了和甲方量子互补的状态。

  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。这样,双方就能得到一组共享的密钥,保密通信的条件就具备了。

  让我们感到开心的是,目前,中国是量子通信领域的最强王者。

  毫不夸张地说,今天中国的量子通信技术全方位、多角度、无死角地领先欧洲和美国。

  

  ▲ “墨子号”卫星分发量子密钥 示意图

  2016年,“墨子号”量子科学实验卫星升空,首次在世界上实现了从太空到地面的、千公里级别的量子密钥分发。哪怕量子通信的理论是美国科学家提出的,但西方国家至今仍没有实现同等量级的项目, 我们在这个领域遥遥领先。

  当“墨子号”划过华北的天空时,它可以和位于河北兴隆的地面光学站建立光链路,也就是使用激光脉冲传输量子信号。通信距离645公里起步,最长可以实现1200公里。

  相比起地面光纤传输量子信号时的巨大损耗,“墨子号”的传输效率要高20个数量级,每秒能向地面站发射4000万个信号光子——“墨子号”每一次短暂地划过天空,就能和地面站之间生成300K字节的安全密钥。这可以说是为日后的全球量子通信网络打下了坚实的基础。

  有了卫星作为信号中继站,就足以实现地球上任意两点之间的保密通信,把量子密钥的分发范围从短短20km拓展到全球。

  而当地面站向太空中的“墨子号”发射量子信号的时候,事情就变得更加科幻了:位于西藏阿里5100米海拔的地面站将会向“墨子号”发射一束激光脉冲,从地面向卫星发射纠缠光子。在实验中,通信的距离最低500公里,最远达到了1400公里。

  

  根据中科院官方网站的描述:“地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例,地面向卫星发射纠缠光子,实验通信距离从500公里到1400公里,所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。倘若在同样长度的光纤中重复这一工作,则需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)才能观测到1个事例。”

  虽然有的科学术语咱们不了解,但我们要注意的是中科院给这项技术的定性:这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究,以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。

  “空间尺度量子通信网络”,也就意味着这项技术在将来会被运用到太空通信乃至星际通信之中。

  还记得那句话吗?

  我们的目标,是星辰大海。

  

  为什么量子技术事关国家安全

  回到文章开篇时候我们提出的结论:中国的量子通信,终将在5G时代成为保卫国家信息安全的隐形长城。

  得出这样的结论,取决于我们身处于什么样的时代。

  目前,中国已经一只脚迈入了5G的时代,大数据、物联网已经成为了大众所讨论的热门领域。在未来一段时间,我们将会见证更多新的技术投入使用:万物互联、无人驾驶、工业互联网、数字货币......等等新科技将逐渐改变中国人的生活方式和生产模式。

  

  ▲ 整个中国社会都在逐渐进入数字空间

  夸张一点来说,5G时代就是一个将整个中国社会中的人、事、物都转入数字空间的时代。既然如此,那么未来数字和信息的安全就几乎等价于全社会和公民个人的安全。

  我们平时关注更多的是技术能在何种程度上让生活变得更美好,但我们也不能忘了技术的阴暗面:那些改善我们生活的技术,在黑客的劫持之下,完全有可能变成挥向我们的屠刀。

  

  ▲ 仅2018年就有这么多大企业的数据泄露

  隔三差五就被爆出的个人隐私泄露事件为我们敲响了警钟——我们现在尚且没有完全踏入5G时代,就已经泄露如此多的重要信息了。

  根据国防科技大学的调查显示:今天,黑客的攻击已经对中国的信息安全构成了重大的威胁,95%的互联网管理中心都曾遭受过网络攻击。其中,银行、金融、证券机构是攻击的重点目标。

  2016年,全国发生了1800起数据泄露事件,近14亿条信息外泄,简直到了人均信息泄露的程度。而因为这些泄露的信息导致的各种电信诈骗之类的犯罪活动更是导致了915亿元的损失,平均我们每个人都交了65块钱的“信息泄露税”。

  2017年又发生了臭名昭著的“勒索病毒”事件,病毒占领受害人的电脑桌面,如果不给钱就要格式化电脑中的一切内容,仅短期内就造成了80多亿美元的损失,波及了金融、能源、医疗等众多行业。

  

  ▲ 每一个都是关乎千万百姓

  财产的要害部门

  个人和企业信息安全的战场上,目前还是“道高一尺,魔高一丈”的被动局面,仅有3%的企业能应付信息威胁,剩下的97%要么束手无策,要么处处挨打。

  并且,作为世界上数一数二的互联网大国,我国的信息安全投入在IT总投入中的占比极低(1.04%),比世界平均值(2.34%)还要低,更别提和超过5%的日本和接近4%的美国比了。

  可以说,我国公民和个人所面临的信息安全威胁极其严重:谁没有收到过诈骗短信?谁没有见过自己手机上的不良推送和垃圾网站?

  在未来的5G时代,随着整个社会都开始转入数字空间,网络流量将呈现爆发式的增长。海量的工商业数据将会被上传到云端进行分析,大量的政务也将被搬到网络上进行处理。

  正因如此,我们的国家和社会才需要一个能够在5G时代保卫我们生活的“超级防御武器”;正因如此,最高决策层才会组织集体学习“量子技术”;正因如此,中国才在量子通信的世界赛场上拿下了多个第一。

  

  量子通信技术的应用

  中国的量子通信技术在世界上属于领先水平,实验性的安全信息传输超过了200km,实用化的安全传输达到了数十公里,量子通信网络的建设早已开始了建设。

  2005年,在潘建伟院士团队的努力下,我们完成了13公里的自由空间量子同心实验。

  2007年,在郭光灿院士团队的努力下,我们成功设计了“量子路由器”,并且搭建了小型的量子网络。

  2009年,多个研究团队集体攻关,成功研制了“量子保密电话”,实现了“电话一打就通,语音实时加密,安全牢不可破”的性能指标。同年,国内首个“量子政务网”也在安徽芜湖建成,我国的量子密码保密通信进入了工程化的阶段。

  今天,在量子卫星的帮助下,我们实现了从北京到维也纳7600公里的量子通信。

  我们已经完成了量子通信的技术储备和实用化的工程实践,剩下的就是开足马力,驱动整个量子通信产业的发展了。

  作为消费者,很遗憾,短期之内我们可能还不能用上“量子互联网”。毕竟,服务消费者的消费级产品的首要目标是盈利,在整个产业羽翼丰满之前,消费级量子通信还有很长的路要走。

  

  但是,在军事国防领域,量子通信技术早已开始了运作。这也恰恰说明,最关心量子技术的并不是以营利为目的的企业家而是担负保卫祖国任务的军队和安全人员。

  在未来的战场上,量子通信设备能够向战场上任意的两个我方部队分发量子密钥,组成一个安全的军事通信网络。在信息化战争的时代,量子通信技术将能够极大地增强我们自己的信息对抗能力。

  在强大的量子通信系统的支持下,强敌与我之间将形成一种“单向透明”的状态——我们总有办法窥探敌人的机密,但敌人看我们却像是望向了一片黑色的虚无。

  结合“量子纠缠”的性质,量子通信对于深海安全通信的影响可能比对陆地、空中的影响更大。在经典通信时代,无线电波很难穿透海水。但纠缠的一对量子就算是隔着银河系也能够相互纠缠,对于潜伏于大洋深处的“水下蛟龙”来说,量子通信是可能改变游戏规则的技术。

  在军事领域之外,政府、财税部门对于信息安全的要求也很高。在这方面,我们已经完成了不少专用量子通信网络的建设。安徽芜湖的量子政务网是世界上第一个量子政务网,能够实现声音、文件、动态图像的绝对安全,其带宽甚至足够支撑需要高度保密的视频会议。

  至于最关键的芯片问题......作为掌握了世界量子通信最强技术的中国人,我们早就实现了量子通信网络的国产化。

  毕竟,玩这个东西的,全球只有中国一家。

  

  ▲ 中国量子通信

  早已开始布局

  

  尾声

  前几天最高决策层的集体学习再一次把“量子通信”放到了公众面前。

  根据我们的经验,当一种技术被上升到了国家层面通常就意味着:第一,这项技术的前期准备工作已经基本完成,具备了开始投入实际运用的条件;第二,在5年之内,这项技术就会得以落实。

  2019年10月24日,最高决策层集体学习了“区块链”技术,今年数字货币就开始筹备试用,2022年北京冬奥会的前后有可能开始全面使用。

  对于量子通信来说,今年被提高到了国家层面,也许到了2025年前后,就能够实现企业级别的广泛使用了。

  今天的量子物理世界,中国人占据了相当多的阵地。人工可控核聚变、超导、量子通信、量子计算......在量子物理学的各个研究方向上都有中国科研团队取得成功的消息传来。

  回想起一百多年前,当量子物理学刚刚开始起步的时候,莫说是量子物理学,哪怕是经典物理学界内都找不到一个中国人的影子。

  近代中国的历史悲剧,根源就在于科学思想的落后。

  1801年,清朝嘉庆六年,当英国物理学家托马斯·杨已经开始设计“双缝干涉实验”来研究光是粒子还是波的时候,我们还沉浸在“天朝上国”“君君臣臣父父子子”的封建思维中。

  

  ▲英国物理学家 托马斯·杨(1773-1829)

  欧美已经开始利用科学的力量征服世界,嘉庆皇帝却还在为白莲教起义而焦头烂额。

  我们在经典物理学、经典计算机和经典通信时代欠的学费实在是太多了,以至于我们用了一百年的时间才终于重新冲到了第一梯队的位置。

  量子技术,在这个已经被证明是“代表未来”的先进领域,我们绝不能放弃任何机会。

  错失了经典物理学的那个年代,列强的炮舰能够在长江上往来纵横。

  在这个我们挺进量子世界、推广5G的时代,以量子通信技术为代表的种种先进科技必将成为保卫我们的隐形长城。

  

  ▲无人机上的量子通信设备

  我们又有新玩具了

  

  

  

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