量子是什么東西,？這個(gè)問(wèn)法的出發(fā)點(diǎn)可能就錯(cuò)了,。

量子力學(xué)的深?yuàn)W是大家所公認(rèn)的。我們經(jīng)常調(diào)侃有些影視作品在科幻問(wèn)題上“遇事不決,，量子力學(xué)”，連“不自量力”這個(gè)舊詞也被人新解為“不要試圖自學(xué)量子力學(xué)”,。

量子力學(xué)確實(shí)很難以我們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)驗(yàn)和觀察來(lái)理解,。但這不妨礙我們抽象地領(lǐng)會(huì)關(guān)于量子力學(xué)一些最核 心的內(nèi)涵,，形成最基礎(chǔ)的“量子化思維”。

為什么很難用日常思維來(lái)理解,？1900年,，當(dāng)人們歡慶經(jīng)典物理學(xué)大廈已經(jīng)基本落成，美麗而晴朗的天空中只剩下兩朵“烏云”,。后來(lái),，這兩朵“烏云”一朵演化成了描述宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的廣義相對(duì)論，一朵演化成了描述宇宙微觀世界的量子力學(xué),。在極大和極小的尺度里,，我們熟悉的經(jīng)典物理學(xué)都不適用,，呈現(xiàn)出許多陌生的奇景,。

回到開(kāi)頭那個(gè)問(wèn)題。正是因?yàn)榱孔恿W(xué)是描述微觀世界的理論,，很多人會(huì)誤以為量子像原子,、質(zhì)子,、電子,、光子一樣，是特指某種微小的粒子,。

量子是什么東西？其實(shí),，量子不是某個(gè)特定的東西，一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子,。

同樣是在1900年，普朗克為解決其中一朵“烏云”提出了量子這個(gè)假設(shè),。意為能量存在一個(gè)最小的單位，是“一份份”存在的,。有一份能量，有兩份能量,，但沒(méi)有半份能量。

1900年，普朗克提出了量子概念,。也就是說(shuō),，量子像是“1”一樣的單位,。這個(gè)物理概念本質(zhì)上是想描述一種離散性,，一種不連續(xù)性,。量子化的世界就像是還沒(méi)有學(xué)到分?jǐn)?shù)概念的小學(xué)一年級(jí)學(xué)生,，只知道1,、2,、3,、4地跳躍。

一個(gè)光子,、一個(gè)電子、一個(gè)原子,，當(dāng)然也是一份一份的,，沒(méi)有半個(gè)光子,、半個(gè)電子,、半個(gè)原子的說(shuō)法,。因此，它們也具有量子化特性,，可以視為量子,。卻不能說(shuō),，量子就是某種粒子,。

奇妙的微觀世界

當(dāng)我們將目光聚焦到這么小的尺度上,，就會(huì)發(fā)現(xiàn)許多與宏觀世界截然不同的奇妙現(xiàn)象,。

很多人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)“薛定諤的貓”。這個(gè)比喻就是想把微觀粒子的量子疊加態(tài)放大為常人易于理解的宏觀生死狀態(tài),。一個(gè)光子可以同時(shí)處于兩個(gè)狀態(tài)的疊加，而一旦對(duì)該光子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量,，它就會(huì)隨機(jī)坍縮到其中一種狀態(tài),。

而兩個(gè)光子之間建立起更為奇妙的量子糾纏,。處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián),，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對(duì)其進(jìn)行測(cè)量），另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變,，仿佛“心靈感應(yīng)”,。

正因?yàn)榱孔恿W(xué)可以用來(lái)精準(zhǔn)地描述這些微觀世界的規(guī)律，我們研究半導(dǎo)體,、激光,、新材料等等顯然必須要用到這個(gè)工具,。科學(xué)家們也可以在“螺螄殼里做道場(chǎng)”,，利用一些只有在微觀世界才會(huì)出現(xiàn)的奇妙現(xiàn)象,，操縱微觀粒子們實(shí)現(xiàn)一些用經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法做到的任務(wù)。

中科院院士潘建偉表示,，量子科技的具體應(yīng)用包括量子通信,、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量三個(gè)領(lǐng)域。在量子通信領(lǐng)域,，我國(guó)已處于國(guó)際領(lǐng) 先地位,。一方面要加快發(fā)展下一代廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，進(jìn)一步擴(kuò)大領(lǐng) 先優(yōu)勢(shì),；另一方面需要和用戶部門(mén)密切配合,，特別是在安 全性測(cè)評(píng)的基礎(chǔ)上推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，進(jìn)而推廣在國(guó)防,、政務(wù),、金融等領(lǐng)域的應(yīng)用，將研究的優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì),。

在量子計(jì)算領(lǐng)域,，我國(guó)整體上與發(fā)達(dá)國(guó) 家處于同一水平線。在量子精密測(cè)量領(lǐng)域,，我國(guó)整體上相比發(fā)達(dá)國(guó) 家還存在一定的差距,，但發(fā)展迅速。

那么,，下面我們就來(lái)重點(diǎn)講一講近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)展很快,、熱度很高的量子通信。

量子密碼

許多人會(huì)把量子糾纏誤當(dāng)做量子通信,。但其實(shí),，現(xiàn)階段的量子通信通常是指“量子密鑰分發(fā)”（QKD）技術(shù)，沒(méi)有用到量子糾纏技術(shù),，更談不上“瞬間傳輸”,。它的核 心不在于通信，而在于生成一串密鑰,。

1984年,，當(dāng)時(shí)任職于IBM研究中心的本內(nèi)特（Charles H. Bennett）和當(dāng)時(shí)就職于蒙特利爾大學(xué)的布拉薩爾（Gilles Brassard）提出首 個(gè)量子加密協(xié)議?；趦晌蛔髡叩男帐鲜鬃帜负桶l(fā)表年份,，該協(xié)定也被人稱為“bb84”協(xié)議。

“bb84”協(xié)議構(gòu)想了一種基于量子力學(xué)的密鑰傳輸方法。我們假設(shè)有一個(gè)信息發(fā)送者Alice,，她想發(fā)送一串由1和0組成的二進(jìn)制密鑰給信息接受者Bob,，同時(shí)，還存在一位潛在的竊密者Eve,。

在傳統(tǒng)通信渠道中,，竊密者Eve可以截獲Alice傳來(lái)的密鑰，并復(fù)制給Bob,。這樣,，Bob并不會(huì)察覺(jué)到密鑰已經(jīng)被人竊聽(tīng)了。

如果將隨機(jī)產(chǎn)生的密碼編碼在光子的量子態(tài)上,，根據(jù)前文所述的疊加態(tài)特定,，一個(gè)未知的量子態(tài)是不能“亂看”的，一旦被測(cè)量,，就會(huì)隨機(jī)坍縮成其中一種狀態(tài),，等于被破壞了。只有使用雙方約定的“打開(kāi)方式”,，才能得到正確的密碼信息,。因此，竊密者Eve無(wú)法復(fù)制出一模一樣的密鑰,，一旦他竊取并試圖自行讀取量子密鑰,，一定會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

量子密鑰分發(fā)協(xié)議潘建偉帶領(lǐng)的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“量子通信夢(mèng)之隊(duì)”基于“bb84”協(xié)議,，在世界范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了量子保密通信的應(yīng)用,。從最早的安徽蕪湖及合肥城域網(wǎng)，到世界首條量子保密通信干線“京滬干線”,，在過(guò)去十年里,，若以鐵路公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施類(lèi)比，國(guó)內(nèi)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從“地鐵網(wǎng)絡(luò)”到“高鐵網(wǎng)絡(luò)”的發(fā)展,。

長(zhǎng)三角,、山東提出了覆蓋多個(gè)城市的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。海南自貿(mào)港也計(jì)劃建成天地一體量子通信環(huán)島網(wǎng)絡(luò)及量子通信國(guó)際業(yè)務(wù)總部,。

相比起來(lái),，歐美國(guó) 家的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)還在小規(guī)模的示范階段。

量子保密網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)

雖然量子保密通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)鋪開(kāi),，但相關(guān)技術(shù)仍有很大的提高空間,。一個(gè)核 心挑戰(zhàn)就是突破距離限制。

要知道,，量子力學(xué)原理決定了量子不可被克隆,，這雖保障了量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)的安 全性，卻也令加載著密鑰的光子無(wú)法像電信號(hào)一樣被增強(qiáng),。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離光纖傳輸后,，光子必然會(huì)產(chǎn)生損耗。

全長(zhǎng)2032公里的 “京滬干線”沿途了設(shè)置32個(gè)站點(diǎn),，采用的是“可信中繼”方案,，即通過(guò)人工值守、網(wǎng)絡(luò)隔離等手段保障站點(diǎn)內(nèi)的信息安 全,。

這種“可信中繼”用經(jīng)典技術(shù)手段防止了鏈路節(jié)點(diǎn)入侵,，但相對(duì)于量子通信可理論證明的安 全性，中繼站還是“量子魔法”的斷點(diǎn),，不是“純量子鏈路”,。

在最初的量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84問(wèn)世之后，牛津大學(xué)的Artur Ekert曾在1991年提出了新協(xié)議E91,，隨后在1992年又被Brassard等人加以改進(jìn)形成BBM92協(xié)議,。這種新版本的量子密鑰分發(fā)無(wú)需中繼，神奇的量子糾纏終于發(fā)揮用途,。

今年6月,，“墨子號(hào)”衛(wèi)星正是宣布用這種方式在距離1120公里的青海德令哈和新疆南山間建立起量子密鑰?！澳犹?hào)”發(fā)射出一對(duì)對(duì)糾纏起來(lái)的光子,，而德令哈和南山各有專(zhuān)門(mén)的望遠(yuǎn)鏡對(duì)糾纏光子進(jìn)行接收。只要使用相同的“打開(kāi)方式”,，如果一方讀出信息為“0”,，另一方一定會(huì)讀出信息為“1”，那么,，其中一方對(duì)“0”,、“1”進(jìn)行互換，即可共享一串量子密鑰,。而一旦雙方溝通部分密鑰,，發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)很多，就是竊聽(tīng)者留下的痕跡,。這一過(guò)程中,，衛(wèi)星只是負(fù)責(zé)分發(fā)糾纏，本身并不參與量子密鑰的產(chǎn)生,，因此即使衛(wèi)星被他方控制,，只要地面的雙方能夠驗(yàn)證糾纏的存在，就能夠保證密鑰的安 全,。

只不過(guò),，此次科學(xué)實(shí)驗(yàn)只是原理性驗(yàn)證,，每個(gè)軌道只能傳送幾十個(gè)密鑰，尚無(wú)實(shí)用價(jià)值,。

另一方面,，用量子中繼器替代可信中繼，將是下一階段的研究重點(diǎn),。假設(shè)信息的接收方和發(fā)送方各有一個(gè)光子,，他們?cè)俑髯耘沙鲆粋€(gè)與之糾纏的光子作為“中介”，讓兩個(gè)“中介”光子在中繼站點(diǎn)糾纏起來(lái),，那么兩者手中留下的光子也會(huì)形成糾纏關(guān)系,。這過(guò)程中，還需要解決量子儲(chǔ)存,、量子糾纏操作等復(fù)雜問(wèn)題,，學(xué)界普遍認(rèn)為真正應(yīng)用為時(shí)尚早。

因此,，在歐美近年發(fā)布的量子通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)規(guī)劃中,，量子中繼器和天基糾纏都被視為研發(fā)重點(diǎn)。

美國(guó)白宮國(guó) 家量子協(xié)調(diào)辦公室今年公開(kāi)的《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》提出,，在未來(lái)5年內(nèi)將演示從量子互連,、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器到高通量量子信道和跨洲際距離的天基糾纏分發(fā)的量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù),。未來(lái)20年遠(yuǎn)景則是量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備實(shí)現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新功能,，同時(shí)加快人類(lèi)對(duì)糾纏作用的理解。

總投資10億歐元的歐洲量子旗艦計(jì)劃則在3年愿景中提到,，利用QKD協(xié)議和可信節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)天基量子密碼,；演示一個(gè)可作為未來(lái)量子中繼器構(gòu)成模塊的初級(jí)鏈路。中長(zhǎng)期目標(biāo)（6～10年愿景）包括：利用量子中繼器演示800公里以上距離的量子通信,；演示至少20個(gè)量子比特的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),；演示利用衛(wèi)星鏈路產(chǎn)生糾纏等。

可以說(shuō),，雖然中國(guó)在量子保密通信上先行了一步,，但若要在未來(lái)保持優(yōu)勢(shì)，還需廣義上的量子信息技術(shù)的全 面進(jìn)步,。