量子信息技术引领新革命

孙媛媛

量子科技是新一代信息技术，具有传统通信方式所不具备的极高安全特性，在未来国家科技竞争、新兴产业培育和经济建设等领域有着重要的战略意义和广阔前景。

今年政府工作报告将“大力推进现代化产业体系建设，加快发展新质生产力”列为2024年政府工作首要任务，推动新质生产力加快成长壮大的重要性不言而喻。

值得注意的是，“量子技术”作为新质生产力中未来产业的重要组成部分，在政府工作报告中被两次提及，政府工作报告在2023年工作回顾中提到“量子技术等前沿领域创新成果不断涌现”，未来将“开辟量子技术、生命科学等新赛道”。2024年量子技術产业创新有望继续获得政策支持。

在量子信息技术的研发过程中，有哪些关键的技术难题需要解决？量子通信技术的发展将如何影响人们的日常生活和工作方式？对此，《小康》杂志、中国小康网专访了安徽问天量子科技股份有限公司首席科学家、中国科学技术大学教授韩正甫。他于1989年开始从事量子密码技术研究，是我国最早从事量子信息技术的研究者之一，承担2018—2023年科技部重点研发项目“高性能量子密钥分发关键技术研究”等重大项目。曾获得安徽省自然科学奖一等奖、教育部技术发明奖一等奖。曾担任国家“863”计划量子信息主题专家组副组长，目前担任中国密码学会量子密码专业委员会主任。

量子通信从神话迈向实用化

《小康》-中国小康网：请您简要介绍一下量子信息技术的概念和发展历程。

韩正甫：严格意义上说，量子信息技术是用量子态对信息进行编码的一种信息处理的方法，或者叫用量子态代表信息进行处理的一种技术。

我们现在用的信息技术，绝大部分编码采用电压或者光强，发一个高电压脉冲代表“1”，再发一个低电压脉冲代表“0”，通信上用一道强光代表“1”，再用弱光代表“0”——这就是当前的信息技术手段。但是到量子层面，我们用“量子态”来代表信息，量子态也有各种各样的形式，可以用其中的某一种代表“1”，另外一种代表“0”。计算机处理器处理信息时，传统电子计算机就是按电压“0”“1”来处理的，计算过程就是让逻辑门在高电压和低电压之间按照设定的规律来回跳，这是电子信息技术的基本程序，它必须符合经典物理学，即电磁学的基本规则。

用量子态来代表信息，由于量子态不是经典的物理量，所以满足它的规律不再是电磁学的规律，而是量子力学规律。在处理量子信息时，由于代表信息的是量子态，与电压不一样，因此具有跟传统信息技术不一样的优点，当然也有一定的缺点。量子信息这么多年的研究就是把其优点发挥出来，规避缺点。

从底层逻辑来看，量子信息网络跟现在的电子信息网格不是一回事，在机器层面，完全不是一个概念。传统的计算机、手机，严格意义上是没有办法运行量子信息的，必须重新做一套量子硬件，形成量子处理器，再装上让它工作的软件，才能完整地做量子信息的处理和传输。

1984年，美国的查尔斯-贝内特和加拿大蒙特利尔大学的吉列-巴萨德共同提出了第一个也是最为著名的量子密钥分发协议——BB84协议。量子密钥分发利用单光子的不可分割性、未知量子态的不可复制性等微观粒子特有的量子性质，从原理上保证了密钥的不可窃听，从而确保了信息传送的安全性。BB84协议开创了量子信息行业用它进行密钥的分发，并进而实现保密通信。

此外，我们可以用量子态编码的新办法开发跟现在的电子计算机完全不一样的另一类计算机，它的优势在于能够简单地处理一些我们经常遇到的复杂问题。比如精确度更高的天气预报，人与股票之间的关系，地震、雪崩预测等。在传统电子计算机领域，这些都是很难解的复杂问题。但在量子计算机领域，这些问题相对来说没那么难，它能够把计算速度大大地加快。

我们还可以用量子技术去解决一些基本的测量问题。比如用它来定义长度，定义光强的大小，用它来直接测量电流的大小，而且测量精度上比传统的办法要精确得多。所以，需要做高精度测量的地方，就可以用量子技术进行测量，这叫量子测量。当然还有量子成像和量子光刻等技术，目前不是主流。未来有没有一些新的方向呢？肯定是有的，但是目前没有进入主流的研究方向。

1984年到1990年，量子信息逐渐受到国际学术界的重视；2000年以后确认量子技术能够从原理上做传统计算和传统通信做不到的事；2010年以后变成国际热点，量子信息技术研究就此轰轰烈烈开展起来。

《小康》-中国小康网：目前，量子通信领域的应用场景是怎样的？

韩正甫：从发展历程上来说，量子信息行业已存在近40年，但到目前为止，除了量子通信能够有部分的应用之外，其他方面还有待于进入真实的应用场景。

目前的应用场景还不算多，比如量子通信，其核心是量子密钥分发，解决一些传统密码学解决不了的问题。量子计算机概念出来以后，理论上已经证明在用的密码技术不安全，量子计算机一旦出来就可以破解它。未来，我们需要全面进入量子层面，用量子密码来对付量子计算机。在量子层面，加密和破密相互之间能达到同一水平，因而安全更有保障了。

目前，量子密码技术已经在多个行业得到应用，比如海关和边境检查、金融行业；公安部门牵涉到千家万户的个人身份和隐私的信息需要保护，这也可以用量子密码来解决。事实上，只要有通信和规模化数据的地方，量子密码技术都可以用到。在纯量子信息处理方面，还得等量子计算机研发出来之后，才能用量子的办法去处理。比如药物的筛选和研发，可以用量子计算机先去做模拟或优选，从而大大加快药物研发的速度；在气象行业，如果把量子计算机用起来，就可以更准确地预报天气。

目前量子密码已经投入使用，2018年我们的产品就在某个边境检查站得到应用。其他领域陆续也有一些应用，这里用到的技术是量子密钥分发或者称为量子通信。对电网来说，大电流的准确测量非常重要，起码跟收费有关。现在用量子测量，精度上更准，工程上也更方便，目前还处在预演阶段。

《小康》-中国小康网：目前全球范围内量子计算机的研发进展如何？

韩正甫：目前量子计算机最大的困难在于硬件怎么实现，因为量子态特别脆弱，容易受周边环境的干扰，所以我们要把它孤立起来，孤立到一定程度还要控制它，才能做出量子计算机。最近十几年，全球都在努力做这件事，但是目前还没有一项技术能够满足理想的量子计算的需求。

例如：用离子来做量子计算机，目前体积太大、成本太高；近年超导量子计算非常火热，被认为是最可能做出第一台量子计算机的技术。2023年年底，哈佛大学又给出另一套基于束缚原子的量子计算机，号称能做出48个逻辑比特，这是目前其他技术无法达到的高度，但这种技术最终能走到哪里，我们拭目以待。另外，和传统电子计算机相似的半导体量子计算机，虽然走得慢，但其可扩展性和制造工艺都非常成熟，能不能后来居上，还不好断定。

量子计算机难度太大，期望短时间之内解决问题是不太现实的。

《小康》-中国小康网：量子通信相比于传统的通信方式有何优势和局限性？

韩正甫：量子通信最大的好处是可以控制整个通信过程的安全性、或者说，我的信息有没有被别人窃听，有没有泄露，我是知道的。目前最大的局限是如果在地面使用的话，必须要有光纤，利用电线来做量子通信目前还不行。在空中也只能直接传光，收发两端必须要能够看得见，只能在直视距离下传输。所谓的量子卫星，就是从卫星上向地面传一组量子态实现量子通信，目前限制还比较大。

重塑后量子时代通信与数据安全

《小康》-中国小康网：2018年，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室在环回差分相位量子密钥分配（RRDPS）研究方面取得重要进展，您可以介绍一下吗？

韩正甫：2018年前，量子密钥分发协议里，如何去发现密钥在传输过程中有没有被人窃听，要看从A传到B或者从B传到A的过程中间，敌方在窃听信息时留下的痕迹——误码。通过检测误码的大小，就能知道窃听者可能窃听到的信息量，我们可以用一些数学手段，将被敌方偷听的信息剔除掉，从而留下安全信息，因此所有的量子密钥分发都需要知道系统误码率到底有多大。而且误码率高，系统就不好用了。

RRDPS方案最大的不同是一定程度上不需要去检测到底有多少误码，可以忍受更高的误码率。实际应用中，在干扰比较大的地方，无法区分误码是受干扰了还是真的被敌人窃听了。所以，RRDPS协议的好处就是可以容忍很大的误码，在误码很大的时候还能够得到安全的信息。2018年，我们从理论上完善了该协议的安全性证明，在实验上实现了该方案，解决了一个难题，即如何用最少的设备，实现尽可能接近理想的RRDPS方案。

《小康》-中国小康网：问天量子的核心技术体系是怎样的？

韩正甫：问天量子拥有点对点量子密码通信技术、量子密码通信组网技术、量子密码通信核心器件等全系列技术，已经构建起具有自主知识产权的完整量子密码通信核心技术体系。上个世纪90年代，我们已经在国际上站住脚，2000年到2010年期间，我们申请了一些技术专利，奠定了问天量子整个知识产权的基础。所以，从安全性、完整性以及设备的可靠性来说，问天量子是国际上最好的厂家之一。

《小康》-中国小康网：2022年，您与合作者实现了833公里光纤量子密钥分发，将安全传输距离世界纪录提升了200余公里，向实现千公里陆基量子保密通信迈出重要一步。这项成果的意义，您可以介绍一下吗？

韩正甫：量子密钥分发或者叫量子通信，是受距离限制的。在一定技术条件下，它传输的距离是有极限的。此前，大约只能做两三百公里，极限距离大约五百公里。在幅员辽阔的中国，这是个缺憾。比如在华北、华中、华东、华南地区，两个城市之间的距离不会超过300公里，此前的量子通信距离够用。但是，在大西北，像甘肃、青海、西藏、新疆一带，两个城市之间的距离可能有七八百公里，甚至上千公里。

2019年开始，我们花了三年左右的时间，把量子密钥分发的极限距离一次性地提升到833公里。这个距离基本上可以解决我国绝大部分的城市与城市之间的通信问题，所以它的价值还是挺大的，而且这代表了当时的国际最高水平。

《小康》-中国小康网：目前量子通信技术面临哪些挑战和难题？如何解决这些问题？

韩正甫：目前面临最大的难题，就是怎么把它跟现实的应用结合起来？从2015年开始到现在，我们花了五到十年左右的时间做用户教育，广大信息行业从业人员现在已经知道量子信息这个概念了，但是怎么用？还需要一些突破性的想法和思维。目前，我们对用户需求的了解还没那么深，还需要学习一些具体行业知识，比如医疗、金融等行业，他们有哪些特殊的需求，然后再思考如何把量子的优势发挥出来。一项新技术研发出来后，对于传统行业会有冲击，传统行业必然会有抵触情绪，这对新技术的推广是个难题。

《小康》-中国小康网：在量子通信领域，国内外的研究进展有哪些差异？

韩正甫：宏观意义上说，量子通信国内比欧美要领先3～5年左右。量子测量和量子计算总体上可能要落后5～10年左右，我不敢肯定自己的这个判断是否准确。

量子科技 探索未来

《小康》-中国小康网：您对当前量子通信技术的商业化進程有何看法？

韓正甫：第一，客观地说，整个行业有点乱。现在从事这个行业的公司太多，有些是在赶热潮进入这个赛道。

第二，量子通信技术怎么跟商业化完美结合，把它用起来，这是一个开放的问题。

第三，现在国家层面很重视，所以宣传力度也比较大，这对行业来说是正面的推进。

第四，在应用场景方面，与传统技术的竞争仍然处于弱势。希望国家能够加大推动力，提供应用场景。总的来说，量子通信技术已经进入到某些应用场景，解决了一些问题。量子技术行业确实在快速发展中。

《小康》-中国小康网：量子通信将带领人类走向怎样的未来？

韩正甫：未来10年到20年，量子通信可能会改变现在的信息安全模式。目前的信息安全领域比较混乱，那么多诈骗犯能实施他们的诈骗计划，就是因为他能够很容易拿到我们的信息。用了量子技术之后，我相信能解决其中的一部分问题。信息系统的理论安全有了，我们就可以集中精力去解决一些不太放心的问题，这对信息安全行业有促进作用。量子信息可以让我们一步一步地实现理想的安全。

《小康》-中国小康网：量子通信技术的发展将如何影响人们的日常生活和工作方式？

韩正甫：从技术的角度来说，尤其是安全技术，我们不希望用户有任何不适的感觉，最好的办法就是把安全置于无形之中，让你于无感中获得安全。从这个角度来说，我们改变不了人类的生活，或者说我们根本不愿意改变人类的生活方式。

但是，从能够逐渐保证安全的角度去看，大家在防备心理方面能够放松一些。更远的层次上，量子计算机有了，量子通信也有了，那么我们的生活方式会变成什么样的状态？不太容易想象，我给不出比较准确的预测。

《小康》-中国小康网：未来量子通信技术的发展方向是什么？

韩正甫：首先会在一些涉及较高秘密的场合用起来，目前，在商业领域的运用也在逐渐展开。未来5年是量子通信技术全面铺开应用的阶段，10年之后应能够普及。

《小康》-中国小康网：请您分享一下对未来量子通信技术发展的展望和期待。

韩正甫：任何一项技术的发展都是如此，最早的技术可能指标最低，受限最多。目前，我们的技术已经能够覆盖几乎所有的需求，但是肯定没达到得心应手的状态。

后续要奔着怎么能够解决问题，以及怎么满足现实需求的方向。我们所有的技术发展方向，一定是沿着满足需求、实现信息安全的需求方向走。所以，独立地从科研的角度去发展的技术，可能短时间之内会引发学术界的热潮，但是不是市场需求的，要由市场来检验。

量子密码技术几乎在所有的信息相关行业里都需要，比如通信的过程、存储的过程、处理的过程……至于怎么用？用得好不好？用户体验如何？从企业的角度来说，要解决的就是这一类问题。