近一三年里，隨著有關量子科技的報導越來越多地出現在眼前，我們也許再也不能僅僅逗留在“遇事不決，量子熱學”的認知水平了。
我們曉得，量子科技主要包括量子估算和量子通訊兩大技術領域。與處在起步階段的量子估算不同，量子通訊技術已經完成了理論的驗證，早已步入快速產業化應用的階段。
近來，我國在量子通訊領域又取得了一些關鍵進展。1月初，中國科技學院宣布成功實現跨越4600公里的星地量子秘鑰分發，這標志著我們基本建立起天地一體化廣域量子通訊網，也證明了廣域量子保密通訊技術初步具備大規模應用的成熟條件。
緊接著，上海學院的研究團隊成功通過兩架無人機空中編組，首次使用光學中繼，在兩個相距1千米的地面站之間實現糾纏光子分發，實現多節點聯通量子組網。實驗的成功意味著我們在量子通訊網路上有了更多樣的應用場景選擇。
（以無人機為聯通節點的光中繼糾纏分布實驗示意）
其實，無論是廣域量子通訊網的建成，還是聯通量子網路的成功實驗，對于好多人而言，只會不明覺厲。為此，假如想厘清楚以上這種量子通訊技術究竟有何“含金量”，又對我國的量子通訊產業有著如何的影響，依舊值得我們去做一番細致評析。不過，在回答這兩個問題之前，首先須要先對“量子通訊”本身做一下簡單介紹。
量子通訊：將信息加密進行究竟
信息通訊技術在明天的重要性早已毋庸置疑。5G，作為新一代聯通通訊技術，正在廣泛應用在我們的日常生活中，相比之下，量子通訊還是一個特別時尚但又讓普通人不明所以的存在。
量子通訊究竟是如何回事，對我們大眾的生活有什么影響呢？
簡單來說，量子通訊屬于量子信息科學的一大分支。量子信息科學，顧名思義是由量子熱學和信息科學組成的交叉學科。根據信息科學中“計算”和“通信”兩大主題，量子信息科學的研究也分為“量子估算”和“量子通訊”。量子通訊就是借助量子力學特點進行信息傳遞的新型通訊方法。
第一個問題，信息通訊技術為何須要跟量子熱學“糾纏”在一起呢？
對于信息通訊，非常是遠距離信息通訊來說，仍然要解決的兩大困局。
第一大困局是信息傳輸的效率，包括傳輸率和確切率，這種由一系列不斷變遷的技術來保證，從最初的烽火臺、到旗語，再到電報的摩爾斯電碼、有線電話、光纜通訊、移動網路等等。這部份我們都很熟悉，不再贅言。
第二個困局就是信息傳輸的安全性，也就是信息加密通訊的問題。信息加密通訊的重要性，普通人可能沒有切身體會。第二次世界大戰期間，正是因為日本政府破解了美軍使用的一種堪稱難以破譯的恩尼格碼密碼機，因而大大扭轉了二戰亞洲戰場的戰局，加速了英國的滅亡。現在，加密通信更是成為了互聯網、金融、軍事等幾乎所有須要信息通訊的場景的基石。
在量子通訊出現曾經，傳統的加密通訊只有兩種形式：
一種信息加密方法是“對稱密碼機制”。傳輸雙方把握同一套秘鑰，傳輸方用秘鑰將明文轉換成密文，接收方用它將密文變換回原文。雙方共享的這一套秘鑰或則說密碼本，假如第三方不把握密碼本，理論上基本永遠沒法破譯這套加密信息。并且秘鑰會須要一個信使來進行傳遞，在抗日時期，地下工作者的一個工作就是充當信使來傳遞密碼本的。這兒會出現兩個安全問題，一個就是信使倒戈，一個是密碼本被查獲，只要第三方把握了密碼本，這么加密信息就等于是“明文”信息了。
為了克服這些問題，物理家發明了第二種信息加密形式——“非對稱密碼機制”，或則說“公鑰密碼機制”。只有接收方手里有一套“加密鎖”（私鑰）和“解密鎖匙”（公鑰），接收方可以把打開的“加密鎖”公布下來，任何人，包括發送方都可以公開獲取。發送方只須要把信息用“加密鎖”鎖上去發送給接收方，接收方再用自己的“解密鎖匙”打開“加密鎖”，才能獲得信息。
“加密鎖”，實際上只是一道“因數分解”的物理題，是由三位名子首字母為R、S、A的物理家發明的私鑰密碼機制，如今也是世界上最常用的密碼體系。這套密碼機制的優勢在于，制造密碼很簡單，破解密碼很困難。第三方竊密者想要破解一個私鑰密碼，用全世界最快的計算機去估算，少則須要數萬年，多則幾十億年。這就讓破解密碼成為一個事實上不可能的事情。
然而在理論上，只要估算速率夠快，RSA密碼被破解就是分分鐘的事情了，而剛好量子計算機可以通過量子比特的特點將破解質數分解的速率提高多個數目級，就能輕易打破質數分解設置的估算困局。例如，分解一個300位和5000位的質數，量子算法可以將原先須要的15萬年降低到不足一秒，從原先的50億年降低到2分鐘。盡管如今量子計算機還處在中級階段，只能處理六位數的質數分解，并且隨著量子估算研究的升級，傳統私鑰密碼系統將遲早被淘汰。
由于量子估算的出現，傳統加密通訊弄成“小透明”，然而量子保密通訊技術（也叫量子秘鑰分發）的出現，再一次讓“完美加密”得以實現。為此，量子保密通訊成為當前量子通訊技術的主要應用，也是當前可以邁向產業落地的應用。
你看，“上帝關上一扇門，也會給你打開另一扇門”，并且打開的門還比關上的門要早一步開啟。
所謂量子保密通訊，就是一種借助量子的偏振光特點來完成信息加密的一種激光通訊。這么，量子保密通訊具體是怎樣實現的呢？
（量子偏振光的疊加原理）
我們曉得量子熱學的特點有三點：疊加、測量和糾纏。
簡單來說，“疊加”保證了一個量子比特在偏振光中可以有無限個狀態，而非數字比特只有0和1兩個狀態。疊加原理既能拿來做量子估算，也能拿來做量子加密。“測量”保證了量子的真正隨機性（），量子熱學的“測量”讓“眼見為實”失去意義，每一次檢測就會形成隨機的結果，但是檢測本身也會改變結果，用在加密上就降低了傳輸錯誤率，因而一旦有第三方“竊聽”，通訊雙方能夠立即發覺。
“糾纏”就更厲害了，量子糾纏可以實現多個粒子的超遠距離的通訊同步，不過對于量子加密來說，就有點像“火箭送快件”一樣大材小用。為此，如今量子通訊，只要充分借助量子疊加和檢測的手段，單個粒子能夠形成相同的隨機數，完成“量子秘鑰分發”（key，QKD）。
最初的單粒子加密合同是由本內特（）和波拉薩德（）在1984年提出的，因而也被稱為“BB84合同”，而當前最先進的引誘態合同可以看作是8848合同的改進版。
具體的量子加密的形式不再贅言，我們可以直接和傳統加密的療效做下對比：
傳統對稱密碼機制可以做到：（1）密文被查獲但不會被破譯；（2）僅靠估算難以破解，而傳統非對稱密碼機制，可以做到；（3）無需傳遞秘鑰的信使；（4）在每次使用前直接形成秘鑰，平常不須要保存秘鑰，但須要依賴物理估算的復雜性做到“密文的不可破譯”。因而，這兩種方式都難以做到“完美加密”。
而量子保密通訊除了能同時做到以上四點，具備了估算意義上的“完美加密”性量子通訊 優點，但是由于量子的不可克隆性，在量子秘鑰分發過程中，量子訊號一旦受到監聽，通訊雙方立即能夠發覺，因而及時中止通訊或更換信道通訊，甚至還可以借助一些光學技術，確定監聽者的位置。這一點是傳統加密技術根本難以做到的。為此，量子加密通訊又被稱為（估算上）“絕對安全”的加密技術。
其實，以上只是從理論上證明了量子秘鑰分發的可用性，但量子秘鑰分發在一開始，可以實現的通訊距離十分短，根本難以實現真正的產業化應用。為此，想要讓量子通訊走入現實世界，就必須建造出可以進行遠距離傳輸的量子通訊系統。
從30分米到4600公里，
從單線聯接到“天地空一體”
1988年，IBM實驗室首次實現了現實意義的量子保密通訊。當時，研究者通過上下偏振光和左右偏振光呈現的量子態來分別代表兩套測試方式，最終促使兩臺計算機在30分米距離的線路聯接下實現了量子通訊，證明了量子保密通訊的可行性，而隨后怎么降低量子通訊距離，就成為量子保密通訊最主要的任務。
1995年，西班牙日內瓦學院首次做到了距離23公里的量子保密通訊。2002年，新加坡BBN公司、哈佛學院和波士頓學院開始聯合建造DARPA網路，并在2009年完成了城域量子保密通訊實驗網路的建設。
2003年，美國、中國、加拿大等國學者提出了引誘態量子密碼理論方案，在現有技術條件和真實系統的狀況下，急劇增強了量子通訊的安全傳輸距離。中科大潘建偉團隊在2010年時侯可以做到16公里的量子通訊，到2012年成功推動到百公里級別，并首次證明了衛星與地面站間進行量子通訊的可行性。
2016年8月，中國成功發射世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，該衛星既實現了上千公里的星地高速量子秘鑰分發，又實現了遠距離地星量子隱型傳態，因而將極大促進量子通訊的實用化。2016年末，全球首列量子保密通訊骨干線——“京滬干線”貫通，通過量子中繼站，建立起聯接天津、上海，貫串西安和蘭州全長2000余公里的量子通訊骨干網路。也就是通過墨子號和滬寧干線聯接，建成這條“跨越4600公里的天地一體化量子通訊網路”。
（《》論文圖：天地一體化量子通訊網路示意圖）
墨子號和地面的量子保密通訊是通過真空和大氣層傳遞，光訊號傳輸基本不會衰減，因而可以實現超遠距離的自由空間信道傳輸。而滬寧干線采用光纖QKD鏈路傳輸，雖然不受外界環境影響，然而光訊號衰減嚴重，致使必須使用可信中繼方案進行城域、城際的傳輸。
理解了這兩種方法的優劣點，我們也就才能理解上海學院團隊提出的“以無人機為光學中繼”的形式進行量子秘鑰分發，所具有“即搭即用、靈活機動”的特征，剛好可以實現和光纖地基和衛星天基量子鏈路的功能互補。
未來，基于高低空無人機所搭建的聯通量子鏈路可以奔向“低空大型化”和“高空遠距離”兩個方向發展，最終目標是可以構建多節點聯接的自由空間的量子鏈路網路。
經過30多年的演化發展，從分米級別到數千公里級別、從單線聯接到城域、城際網路，再到天地一體量子通訊網路，量子通訊早已開始步入產業化應用的階段當中。
暫時領先，道阻且長
說到這兒，你們可能都十分關心一個問題，那就是在全球量子通訊產業大賽中，中國處在一個如何的位置？這一次我們可以不客氣地說，中國的量子通訊暫時取得了領先。
首先，和英國、歐盟量子通訊網路的實力對比，我國廣域量子通訊網路已具有急劇領先優勢。
今年，歐共體發布的《量子旗艦計劃戰略研究議題》中提及：“未來3年愿景是借助QKD合同和具有可信中繼節點的網路實現全球范圍的安全秘鑰分發，6-10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實現800公里以上的量子通訊。”而英國今年發布的《量子網路戰略愿景》中提出：“未來5年，日本將展示量子網路的基礎科學和關鍵技術，從量子互連、量子中繼器、量子儲存器到驍龍量量子信道，以及洲際天基糾纏分發。”
從這兩家的量子戰略時間表來比較，我們領先歐共體3至5年，領先韓國則有5至8年。
其次，從量子通訊領域的專利數、申請專利的機構以及量子秘鑰分發網路國際標準的制訂來看，中國企業同樣搶占領先優勢。例如，在量子通訊技術專利數排行世界前十的機構中，有7家都是中國的。
另外，現今中國量子通訊產業化規模正在加速下降。按照數據，2017年中國量子通訊行業市場規模達到180萬元，到2023年將達到805萬元。量子通訊技術正在金融、政務、國防、電子信息等領域廣泛應用。
雖然當前取得暫時的領先，而且我們也仍然要清醒地認識到量子通訊領域的競爭才剛才開始。根據的技術成熟度曲線，量子通訊產業一直處在商業化初期階段。接出來，我們要繼續完成量子通訊網路的建設，也要在量子通訊產品的標準化、小型化方向加大投入，因而豐富量子通訊的應用場景。
而在未來，我們的目標是基于遠距離、可擴充、大規模的量子通訊網路，將分布在各地的量子信息處理器互聯，率先建成可以承載量子信息的“量子互聯網”。而同樣，量子互聯網也是歐日本家量子戰略的最終目標。
可以預見，在接出來很長一段時間量子通訊 優點，我國和歐共體、美國展開一場不亞于現在半導體產業激烈互博的技術大賽。假如我們想要繼續在量子通訊領域保持優勢，則一直要在量子信息領域的標準化制訂、基礎理論研究，以及從產品開發到應用推廣的產業化方面，都必須保持足夠的投入和創新。
從根本上來說，量子科技人才匱乏一直是制約量子科技發展和競爭力提高的重要誘因。為此，無論量子信息科學看上去多么高深，學上去多么生硬，而且在未來一定將會成為一門大眾必學選修的一門基礎課程。只有這樣，大批的量子信息專業人才也能夠涌現。
最終，希望這篇文章才能成為引導讀者關注量子信息科學和量子通訊產業的一個抓手。
參考資料：
1.袁嵐峰：《萬字長文！你完全可以理解量子信息》
2.吳軍：《科技史綱60講》
3.紫金山科技：《量子通訊：一場不見烽煙的國際對決》