量子应用“大戏”拉开帷幕
河北省广播电视局   2016-08-26

  8月16日,我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。伴随着“墨子号”的太空远航,量子通信产业化发展进入了新的阶段,千亿级产业呼之欲出。量子通信能否成为引领我国信息技术跨越式发展的引擎?量子科技的力量又将撬动哪些新兴产业发展?

  加密信息无法破解

  安全地进行信息传递是人类千百年来的梦想之一,然而即使在信息技术飞速进步的今天,安全通信也没有完全实现。目前,保障通信安全的主要方法是加密信息,使窃取者即使复制了加密后的密文也无法读取原文。但是这种方法远不能保证建造“绝对安全”的通信系统。这是因为随着计算科学和技术的发展,人类计算能力的提升速度和潜力已远远超过了最初的想象。经典密码加密技术安全保障能力也显得远非人们预先估计得那么可靠。

  随着量子通信技术的应用和普及,这些顾虑可能会被永远“埋葬”。因为量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。据量子科学实验卫星项目首席科学家潘建伟介绍,量子不可分割、不可克隆,从原理上保证了信息的不可窃听和不可破解。

  在量子通信过程中,发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。由于单光子不可分割,窃听者无法截取“半个光子”来获取密钥信息;而未知的量子态又无法被精确复制,窃听者一旦试图对其测量或复制,量子的状态会改变,从而必然被接受者察觉并规避。因此,无论是现在还是将来,无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多强大的破译能力,只要量子力学规律成立,由量子通信建立起的加密信息就无法被破解。

  弯道超车引领发展

  如今,量子通信的实用化和产业化已经成为包括欧盟、美国、日本和中国等国家和地区争相追逐的目标。

  今年4月份,欧盟宣布将投入10亿欧元支持包括量子通信、量子计算、量子探测等在内的量子技术旗舰项目;美国同样不甘落后,美国国防部支持的“高级研究与发展活动”计划将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络。今年5月份,美国国家科学基金会(NSF)将“下一代量子革命”作为未来六大科研前沿之一,而就在这个月,NSF又斥资1200万美元资助量子保密通信技术的研究;日本也提出了自己的量子信息技术长期研究战略。

  潘建伟告诉记者,在全球量子通信竞赛中,我国科学家在发展可实用量子通信技术方面开展了深入研究,在产业化预备方面一直处于国际领先水平。“目前我国在量子通信领域已经实现‘弯道超车’,并成为首个将量子科学实验卫星送入太空的国家。”潘建伟说。

  在国际上首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发、实现国际上首个全通型量子通信网络、建成首个规模化量子通信网络……国际权威期刊《自然》杂志评价说,“这标志着中国在量子通信领域的崛起,从十年前不起眼的国家发展为世界劲旅,将领先于欧洲和北美”。

  经过30多年的发展,量子通信技术已经从实验室演示走向产业化和实用化,目前正在朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展。

  “要真正实现实用化的量子通信,我们还将发射功能更好、数量更多的量子卫星,它们将组成量子卫星的星座。就像目前的北斗系统提供导航服务一样,未来的量子卫星星座,会将量子保密通信技术普及到个人。那时,人们就再也不必担心自己的网络账号被窃取、银行卡资金被盗刷了。”潘建伟说。

  新兴产业“芝麻开门”

  “墨子号”的升空让天地一体的广域量子网络指日可待。一个天地一体的全球化量子通信基础设施构建成功后,能为未来的互联网提供基于量子通信技术的安全保障。

  中科院院士、中国科学院物理研究所研究员于渌表示,量子通信必将大有可为,量子科学实验卫星发射成功,结合地面即将建成的“京沪干线”千公里级广域量子通信骨干网络,我国将初步构建一个天地一体的广域量子通信体系。这会解决很多实际问题,并且为全球性量子通信网络的构建打下基础。

  潘建伟说,当前我国量子通信研究已经吸引了各国的量子物理学家,欧洲美洲的量子物理学家们纷纷求合作。“‘墨子号’将先由中国科学家推出第一批实验成果,一年后再与欧洲合作。”潘建伟透露,目前奥地利等国已和我们签订合作协议,德国、意大利和加拿大等国也正与我国洽谈合作事宜。

  除了量子保密通信外,量子科技的其他应用也将大大改变人类的生活,比如通过量子计算,不仅可以解决气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探等所需的大规模计算难题,而且还能揭示新能源新材料、高温超导、量子霍尔效应等复杂的物理机制。

  无限商机正吸引着越来越多的产业资本。目前,量子通信行业逐渐形成了包括核心器件制造商、通信设备制造商、通信网络运营与应用商和传输网络建设四部分的产业链格局。据多家投资机构预计,未来量子通信将在金融、远距离通信等多领域展开应用,潜在市场广阔,有望成为规模超千亿元的行业。

  “随着量子技术的发展,未来五年,量子科技将在金融、通信等领域率先得到应用,十年后大的机构可能会参与进来,也许十五年后,量子加密芯片就可以惠及大众。将来在人类生活中,来自量子世界的果实会无处不在。”潘建伟说。

  “墨子号”正在太空遥望着地球,这一场量子应用的“大戏”才刚刚启幕。(记者杜芳)

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