重器解讀
2016年8月，墨子號量子科學實驗衛(wèi)星發(fā)射升空，成功完成了中國探索星地量子通信可行性的使命，并首次在空間尺度驗證了量子非定域性的正確性。
光纖量子密鑰分發(fā)最遠安全距離可做到404公里，“墨子號”可做到星地1200公里，這是中國量子通信領先世界的標志。
量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，世界首個遠距離量子保密通信骨干網“京滬干線”已經正式開通，同時結合“京滬干線”與“墨子”號的天地鏈路，中國和奧地利之間首次成功實現洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實現了加密數據傳輸和視頻通信。
量子通信正逐漸走進日常生活，或許10多年后，量子通信就會走進尋常百姓家，讓原本屬于你的私密真正屬于你本人。
靜謐遙遠的地理空間，兩個相距甚遠的微觀物體，一個改變狀態(tài)，另外一個也會隨著改變，仿佛這二者之間是通過了某種神秘渠道得以緊密相連。
在量子物理的諸多奇異現象中，“量子糾纏”或許是其中最不可思議的一種。以至于偉大的愛因斯坦，在1935年得知這個現象后，難以置信地稱之為“鬼魅般的超距作用”。
是不是很有趣？
不止有趣，全國政協委員、中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉還推進了它的“有用”。
2016年8月16日1時40分，夜空中發(fā)出的耀眼強光，照亮了整個酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地———墨子號量子科學實驗衛(wèi)星成功發(fā)射升空。這次星際之旅成功完成了中國探索星地量子通信可行性的使命，并首次在空間尺度驗證了量子非定域性的正確性，為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。
換句話說，中國有可能率先建立一個全球化的、原理上無條件安全的通信網絡，這就是“量子通信”。
為此，中國墨子號量子科學實驗衛(wèi)星科研團隊，將2018年度紐科姆·克利夫蘭獎收入囊中。這是美國科學促進會歷史最為悠久的獎項之一，自獎項設立90余年以來，中國科學家在本土完成的科研成果獲得這一榮譽，尚屬首次。中國在量子信息這個多學科融合前沿技術中所取得的國際學術地位，由此可見一斑。
如今，就讓與這神秘的“糾纏”糾纏了十幾年的潘建偉，帶我們去看看這個微觀世界，是如何影響宏觀世界的。
“信息安全，無論對國家還是對個人都有重要意義”
記者：墨子號量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，在國際范圍內收獲了巨大關注與贊譽。這件在量子信息技術領域堪稱里程碑式的事件，意義何在？
潘建偉：2018年，素有諾貝爾獎風向標之稱的“沃爾夫物理學獎”在獲獎者介紹中專門提到：“量子密鑰分發(fā)已經成功實現商業(yè)化，在光纖中已經能做到幾百公里，用衛(wèi)星可以做到上千公里”。光纖量子密鑰分發(fā)最遠安全距離做到404公里，另一個就是“墨子號”做到的星地1200公里，這是中國量子通信領先世界的標志。
值得一提的是，量子通信利用量子力學原理對量子態(tài)進行操控，可以完成經典通信所不能完成的任務。量子密鑰分發(fā)可以實現無條件安全的密鑰分發(fā)，就算竊聽者有全宇宙最強的計算機，哪怕是量子計算機，也不能破解加密后的信息。使用量子密鑰分發(fā)技術可以幫助實現通信安全中機密性、真實性和不可否認性的無條件安全，也就是說，保證通信加密無法破譯，保證對方身份真實可靠，保證信息無法被篡改。
記者：同為通信領域，與現在大家熱議的5G相比，量子通信最大的“爆點”在哪里？
潘建偉：量子通信本身有兩個重要應用，其中一個叫量子密鑰分發(fā)，或者叫量子保密通信，通過一種原理上無條件安全的密鑰分發(fā)手段實現信息傳輸，為遙遠地點之間任何兩兩用戶，建立起安全有效的通道或者信道，這是屬于信息安全的范疇。我們通常所說的量子通信就是指這個范疇，在通信領域主要解決的是傳輸信息的安全問題，不解決速度問題。
未來的通信是什么樣的？第一要是移動無線的；第二，高速率的，比如5G；第三就是安全的。量子保密通信解決的是未來通訊三要素中的安全性問題，而5G解決的是高速率問題。
量子信息技術的第二個重要應用，量子態(tài)隱形傳輸也有一種有趣的應用方式，我們稱之為密集編碼，用量子糾纏態(tài)進行傳輸，從原理上也是能夠提高傳輸的速率，或者擴大信道的容量。但是這個技術不會很快就能實現，還需要更多努力和更長的時間。
今后5年我們的目標是，在量子保密通信的應用上，進一步開展技術驗證和應用示范，降低設備成本，對用戶更加友好，讓完全不懂量子力學的用戶也可以使用設備。然后通過對攻防的研究測試安全性，制定標準，確認軟硬件可控可信。隨后在未來5到10年內，就會有大規(guī)模的相關應用出現。
記者：如果現在量子通信主要致力于解決通信的安全性問題，這對國家信息安全意義重大，普通老百姓是否也很需要？
潘建偉：當然了，老百姓的私人信息也是需要保密的。比如個人賬戶的資金轉移，未來更多的移動終端操作，關鍵信息會不會泄露關乎每一個用戶。
再比如未來的無人駕駛，需要有人從遙遠的終端進行控制，假如被黑客控制，車輛行駛的安全性就得不到保障。物聯網時代，我們還沒有到家，就會用無線控制機器人提前把水燒好，甚至把飯做好。如果這個系統(tǒng)被黑客入侵，在不該開燃氣的時候自動打開，后果可以想象。這個時候，安全的通信手段特別必要，要讓原本屬于你的權益真正屬于用戶本人。因此隨著未來信息化不斷深入推進，信息安全，無論對國家還是對個人，都有著非常重要的意義。
“科技創(chuàng)新的魅力在于不確定性”
記者：“量子糾纏”產生于兩個微觀粒子之間，且產生的原理尚不明確，那么從理論通往實踐之路注定不會平坦。中國的量子通信是如何“從夢想照進現實”的？
潘建偉：坦白講，我們的研究是從是量子力學開始，起初并不是奔著量子信息技術去的，只是被一步一步推到了現在。因為一項科學技術的研究，沒有人能從一開始就預見到未來。
回憶當時，1996年我們在實驗室里，只能把量子密鑰傳輸距離做到幾十厘米，隱形傳態(tài)也是只能傳輸30多厘米。我有一個非常要好的朋友———是這個領域提出糾纏量子密碼的先驅性人物——當時就斷言：在有生之年不會看到這項技術成為現實。而2016年我們的量子衛(wèi)星發(fā)射，2017年又把千公里級量子糾纏分發(fā)做出來時，他簡直說不出話，覺得這是匪夷所思的事情。
從這個角度來講，我非常欽佩國家有關部門的前瞻性和魄力。在量子信息技術的研究還處于初級階段時，他們就看到了這項技術在信息安全上的巨大潛力，希望研究能繼續(xù)推進下去。當理論在實踐層面出現真正需求時，轉化的時機就成熟了。在隨后數年時間里，我們把安全距離從公里到十公里到百公里再到400公里逐級推進，在不久的將來，我們還將拓展到500-700公里。然后再遠的距離怎么辦？量子衛(wèi)星就是解決更遠距離傳輸的問題。
所以，我們在進行一項研究時，并不能確定會成功，但科技創(chuàng)新的魅力正在這里。
記者：您所說的科技創(chuàng)新的魅力是“不確定”性？還是在不確定性中的堅持？
潘建偉：科技創(chuàng)新整個過程一般會經過三個階段：
第一個階段，別人都說不靠譜。1999年到2000年，我在國內到處呼吁做量子信息技術的研究時，很多人說，你這個量子糾纏是什么遙遠地點之間的詭異互動，不靠譜。甚至有人還認為量子信息是偽科學；
第二個階段，我們自己堅持做這項研究，逐漸有了一定進展和成果時，又有人會說，理論上可行，但屬于基礎研究，還不成熟有待完善，實現工程化還有一定距離；
第三階段，再過十年、十五年，當這項技術被廣泛使用后，大家也許會習以為常，甚至認為這項技術已經不夠新了。
到此，科技創(chuàng)新的整個鏈條才算完成。
從懷疑，到將信將疑，到習以為常———一路走來，其實就是要堅持堅守，要踏踏實實去做。一開始我們也沒有想到量子保密通信的安全傳輸距離能達到幾千公里，再看現在，我們已經開始準備利用中高軌道衛(wèi)星做萬公里級的量子通信了。這在20年前，是做夢都不敢想的事情。事實證明，只要腳踏實地，就會一步一步走到想要去的地方。
“從實用化到產業(yè)化的關鍵是標準化”
記者：任何一項技術的演進，都是為了讓世界更美好，目前量子信息技術的應用情況如何？存在什么難點？
潘建偉：國家發(fā)展改革委立項的世界首個遠距離量子保密通信骨干網“京滬干線”已經正式開通。“京滬干線”連接北京、上海，貫穿濟南、合肥，全長2000余公里，全線路密鑰率大于20kbps，可為沿線金融機構、政府部門等提供高安全等級的量子保密通信業(yè)務支持。同時，結合“京滬干線”與墨子號的天地鏈路，中國和奧地利之間通過墨子號量子衛(wèi)星在國際上也首次成功實現了距離達7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實現了加密數據傳輸和視頻通信。
當前率先實用化的量子保密通信技術從實用化到產業(yè)化規(guī)模應用，的確還面臨著不少挑戰(zhàn)。其中，標準化是關鍵一步，是未來產業(yè)成熟發(fā)展的基石。
面對挑戰(zhàn)，我國也正全力推進相關標準化工作，2017年設立的量子通信與信息技術特設組，已有44家會員單位，正在圍繞量子保密通信標準體系的術語、應用場景、網絡架構、技術要求、測試方法、應用接口等內容編制有關國家標準和行業(yè)標準。另外，我國專家在ISO/IEC國際標準化組織啟動了量子保密通信技術的全球首個國際標準項目，正式開啟國際標準化進程。
記者：據了解，兩會結束后，您將作為九三學社“科普中國——科學大咖面對面”第三期的主講嘉賓，為眾多科學愛好者作題為“新量子革命”的報告。很多人都認為量子信息技術非常高深，晦澀難懂，為什么您堅持要對公眾做科普？
潘建偉：2016年，習近平總書記在“科技三會”上指出，“科技創(chuàng)新、科學普及是實現創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置”。我非常認同，如果大家都對科學不感興趣，我國創(chuàng)新驅動戰(zhàn)略就難以實施，如果一個國家沒有崇尚科學的土壤，科技創(chuàng)新就難以實現。從另一個角度，國家投入這么多，我們理應讓納稅人知道我們在研究什么，這些研究的應用價值在哪里？要讓每一個納稅人覺得對科學方面的投入是值得的。
還有最重要的原因，來自于一個很深的感觸。在國外做科研與在國內做科研有一個很大的不同，在國內做科研，大家最喜歡問的是，最近發(fā)表了什么重要論文？研究有什么成果和突破？獲得什么獎項？而國外一般會問，這項研究到底是什么？有什么有趣的地方？你為什么要做這個？有什么作用怎么實現？兩相對比，國外關心的是過程，是科學本身，而國內注重的是結果，稍顯功利。但是通過對公眾的科普，就會引起大家對這項科學本身的興趣，對做這項技術的動機更感興趣，從而能有耐心地堅持研究。
尤其在信息爆炸的當今時代，各種真假信息的傳播中，“真科學”和“偽科學”區(qū)別就在一線之間?，F在社會上已經有人打著“量子”的概念，捏造出量子掛墜、量子水以及量子鞋墊，宣稱可以保健防癌等等。如果不進行科普，大家就不能區(qū)分什么是真科學什么是偽科學。所以只要時間允許，我們都會盡量多地去做一些科普工作，一方面讓更多人對科學感興趣，另一方面厘清誤區(qū)、破除誤導，重塑公眾對科學的敬畏。對科技創(chuàng)新的崇尚與跟隨，這才是其中的重要意義。
（本文轉載自《人民政協報》2019年3月7日 06版 記者 包松婭）
