何為量子直接通信? 為何量子通信通常被認(rèn)為是未來的技術(shù)

量子通信是利用量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式，基于量子力學(xué)中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理提供了無法被竊聽和計算破解的絕對安全性保證，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種。 量子隱形傳態(tài)基于量子糾纏對分發(fā)與貝爾態(tài)聯(lián)合測量，實現(xiàn)量子態(tài)的信息傳輸，其中量子態(tài)信息的測量和確定仍需要現(xiàn)有通信技術(shù)的輔助。量子隱形傳態(tài)中的糾纏對制備、分發(fā)和測量等關(guān)鍵技術(shù)有待突破，處于理論研究和實驗探索階段，距離實用化尚有較大差距。

量子密鑰分發(fā)，也稱量子密碼，借助量子疊加態(tài)的傳輸測量實現(xiàn)通信雙方安全的量子密鑰共享，再通過一次一密的對稱加密體制，即通信雙方均使用與明文等長的密碼進(jìn)行逐比特加解密操作，實現(xiàn)無條件絕對安全的保密通信。 以量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子保密通信成為未來保障網(wǎng)絡(luò)信息安全的一種非常有潛力的技術(shù)手段，是量子通信領(lǐng)域理論和應(yīng)用研究的熱點。 2022年4月13日報道，中國科學(xué)家設(shè)計出一種相位量子態(tài)與時間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，成功實現(xiàn)100公里的量子直接通信。

9月9日，北京商報記者在“兩區(qū)”建設(shè)兩周年工作新聞發(fā)布會上獲悉，兩年來，海淀區(qū)全力推進(jìn)“兩區(qū)”建設(shè)，取得了積極進(jìn)展。通過圍繞數(shù)字經(jīng)濟(jì)試驗區(qū)、全球創(chuàng)業(yè)投資中心以及科技體制改革先行示范區(qū)建設(shè)，即“兩區(qū)一中心”建設(shè)，海淀區(qū)已落地世界最長量子直接通信距離、全球最大智能模型“悟道2.0”、全球首款96核區(qū)塊鏈專用加速芯片、國際首臺量子直接通信原理樣機(jī)等一批重大創(chuàng)新成果。

何為量子直接通信?在北京量子信息科學(xué)研究院，北京量子信息科學(xué)研究院副院長、清華大學(xué)物理系教授龍桂魯向北京商報記者介紹說，量子直接通訊是直接傳輸信息的量子保密通信，能阻止竊聽，無需加密，是可靠和安全的通信。

“得益于研發(fā)機(jī)構(gòu)新的靈活機(jī)制和北京市的經(jīng)費支持，可以靈活地按需分配經(jīng)費，我們現(xiàn)在的工程研發(fā)力量非常強(qiáng)，并且匯聚了來自多個大學(xué)不同研究團(tuán)隊的優(yōu)秀人才，對比其他大學(xué)和研究所，具有很強(qiáng)的工程實現(xiàn)能力?！饼埞痿斦f。

為鐵路行業(yè)制定國家標(biāo)準(zhǔn)的中國鐵道科學(xué)研究院已經(jīng)與汪超接洽，計劃將量子通信引入高鐵。幾天前，兩家中國信息技術(shù)公司被曝光向境外出售高鐵數(shù)據(jù)，這將可能導(dǎo)致中國鐵路通信泄露，并威脅到數(shù)百萬乘客的安全。這是世界上最大的高鐵網(wǎng)絡(luò)。

汪超表示，鐵道科學(xué)研究院想知道基于量子的密碼學(xué)(使用物理定律防止竊聽的技術(shù))是否可以為上述涉及的大量基礎(chǔ)設(shè)施提供得以負(fù)擔(dān)的信息保護(hù)。“傳統(tǒng)的鐵路通信系統(tǒng)存在安全漏洞。理論上，量子安全解決方案通過牢不可破的設(shè)備和受信任的中繼器提供改進(jìn)的保護(hù)，隨著該領(lǐng)域的私營公司致力于提供更便宜、更小的設(shè)備，行業(yè)客戶已經(jīng)能夠負(fù)擔(dān)得起這項技術(shù)?！?

量子通信通常被認(rèn)為是未來的技術(shù)，也是一個依賴政府補(bǔ)貼的行業(yè)。但由于技術(shù)突破、成本降低和需求增加，它最近在中國成為一項蓬勃發(fā)展、有利可圖的業(yè)務(wù)，正在將更多的物理學(xué)家轉(zhuǎn)變?yōu)槠髽I(yè)家。

循態(tài)量子于2017年由汪超的導(dǎo)師曾貴華教授創(chuàng)立，汪超當(dāng)時在上海交通大學(xué)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，隨后加入了這家初創(chuàng)公司。因為他相信量子加密是一種經(jīng)過驗證的技術(shù)，“正準(zhǔn)備走出實驗室”;量子設(shè)備不再笨重且能夠穩(wěn)定性能、能夠集成到傳統(tǒng)的通信基礎(chǔ)設(shè)施中。汪超表示，包括中國最大的電信服務(wù)提供商、電網(wǎng)公司和地鐵運營商在內(nèi)的主要工業(yè)用戶去年都開始對循態(tài)量子產(chǎn)品表示興趣。這是一個重大變化：因為多年來，像循態(tài)量子這樣的公司主要為政府提供服務(wù)。

量子通信技術(shù)商業(yè)化的最早嘗試是在2009年5月，當(dāng)時中國最著名的量子科學(xué)家潘建偉教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的幾位同事成立了一家公司——科大國盾量子技術(shù)股份有限公司(國盾量子)，現(xiàn)在已經(jīng)是一家上市公司，市值超過80億元人民幣。

國盾量子誕生僅兩個月后，中國科學(xué)院量子信息重點實驗室的郭光燦教授就在安徽省蕪湖市創(chuàng)辦了另一家公司——安徽問天量子科技股份有限公司(問天量子)。

當(dāng)時很少有人聽說過量子通信技術(shù)。這些設(shè)備大多是為實驗室實驗而制造的小工具，幾乎沒有人預(yù)料到這些合資企業(yè)會盈利：由于中國政府發(fā)起的一些大型項目，初創(chuàng)企業(yè)得以幸免于難。

其中包括一個耗資5.6億元人民幣的項目，用于在北京和上海之間建設(shè)一條量子通信線路——“京滬干線”，該項目于2013年得到了中央政府的支持。它為國盾量子和其他初創(chuàng)企業(yè)開發(fā)的許多量子器件的應(yīng)用提供了試驗場，這些公司用它來微調(diào)旗下產(chǎn)品并培養(yǎng)人才。

量子力學(xué)這個名字如今已經(jīng)是婦孺皆知了。但是很多人可能并不知道量子力學(xué)是什么?

我們經(jīng)常會聽到量子糾纏，電子的雙縫干涉實驗引起的測量坍縮，甚至將這種坍縮引申到意識層面，試圖用量子力學(xué)詮釋唯心主義。

事實上，這是對量子力學(xué)的誤讀造成的。我們都知道，我們的宇宙分為宏觀世界和微觀世界。宏觀世界十分容易理解，就是我們?nèi)粘Ｋ幍牡厍虮砻?，太陽系，銀河系以及大尺度宇宙結(jié)構(gòu)。

而微觀世界就是人類肉眼甚至是普通顯微鏡都無法看到的世界。在量子力學(xué)中，微觀世界指的是比原子更小的物質(zhì)尺度的世界。

當(dāng)科學(xué)家第一次用探測器觀察到微觀世界時，對這里的規(guī)律還全然不知，所以肯定會用早已成熟的牛頓力學(xué)套用到微觀世界里。比如會認(rèn)為電子繞原子核運動一定遵守牛頓三大定律，所以電子一定是圓周運動。

當(dāng)我們對電子的運動觀察得更為深入時，卻發(fā)現(xiàn)這里的一切都表現(xiàn)得十分陌生，甚至完全不遵守牛頓力學(xué)的法則。于是我們只能重新發(fā)明一套量化工具描述電子的運動。這種新發(fā)明的物理工具就是量子力學(xué)。量子力學(xué)最神奇的一個現(xiàn)象就是量子糾纏。

在微觀世界，一旦多個粒子的量子狀態(tài)相互纏繞，即便將它們分離多么遙遠(yuǎn)，它們依舊可以相互影響。

在理論上，這種影響的速度不僅遠(yuǎn)超光速，甚至都沒有速度的概念。雖然在理論上，我們知道量子糾纏是沒有速度概念的，無論多么遙遠(yuǎn)都是同時作用的。測量其中一個粒子，哪怕另一個粒子在100億光年外的其他星系上，它們都會同時感應(yīng)到。理論歸理論，實驗還是要做的，起碼要用實驗證明量子糾纏的速度到底有多快。潘建偉教授曾經(jīng)在青海就搭建了一個測量粒子糾纏速度的實驗。

由于實驗的規(guī)模限制，最后只能測量出量子糾纏的速度是光速的1萬倍。但這并不是說明量子糾纏只有光速的1萬倍，而是因為實驗條件的限制，只能做到這個量級。如果以后實驗條件允許，我們可以做量子糾纏超光速1億倍，1兆倍的實驗。

可能這時候就有人疑惑了。相對論不是認(rèn)為光速是宇宙中最快的速度，為什么量子糾纏可以輕易超過光速，這豈不是違背相對論了?其實，量子糾纏的超光速和相對論的光速并不是同一概念。