在加解密場域_你選擇劍還是選擇盾？

量子通訊主要應(yīng)用在量子加密，是未來的網(wǎng)絡(luò)通訊主干。將來沒有量子通訊網(wǎng)絡(luò)整個國家立刻會變成信息孤島。

量子通訊(quantum communication)是量子信息(quantum information)產(chǎn)業(yè)中一個主要的次領(lǐng)域，雖然目前不如量子計算是當紅的科技顯學(xué)，但重要性可能有過之而無不及。

量子通訊主要的應(yīng)用在量子加密(quantum cryptography)，是未來的網(wǎng)絡(luò)通訊主干。可以想象若一個國家如果沒有量子計算機可能只會在材料、制藥等領(lǐng)域發(fā)展相對遲滯，但是沒有量子通訊網(wǎng)絡(luò)則整個國家立刻會變成信息孤島。因為信息一旦從有量子網(wǎng)絡(luò)的地方傳入傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，馬上變的透明，所有的業(yè)務(wù)、財務(wù)往來等因而有極高的風(fēng)險，沒人敢跟你有信息往來。

美國最近正在草擬兩個法案－包括National Quantum Initiative與另一個以陸軍和海軍為主的研發(fā)計劃－以確保美國在量子信息領(lǐng)域發(fā)展的領(lǐng)先。整體來說，美國在許多量子信息領(lǐng)域還保有領(lǐng)先。譬如在量子計算中，美國的專利仍然以4:1的比數(shù)領(lǐng)先中國，但是在量子通訊領(lǐng)域的專利，中國自2014年后就超過美國。特別是墨子衛(wèi)星在2016發(fā)射后，去年又展示了在北京與維也納之間的視訊會議，這一切令美國快馬加鞭推進。

盡管同為量子信息中的次領(lǐng)域，量子通訊可能先于量子計算進入應(yīng)用階段。荷蘭Delft University正在部署4個城市之間的量子通訊網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計2020年可以初步展示；國內(nèi)則開始在北京、濟南、合肥、上海4個城市之間建立2,000公里長的量子通訊網(wǎng)絡(luò)骨干架構(gòu)，雖然民用的網(wǎng)絡(luò)預(yù)計尚需10~15年的光景。

量子信息技術(shù)的挑戰(zhàn)一直都是如何將多個量子位元纏繞(entanglement)起來，纏繞指的是2個以上的量子位元經(jīng)過交互作用而將其量子狀態(tài)連結(jié)起來，這些纏繞的量子位元狀態(tài)－即使相互之間的距離再遠－在量測其物理特性時會呈現(xiàn)特殊的相關(guān)性。量子位元纏繞是一切量子信息運行的根本機制，只不過量子計算的量子位元間距離較近、數(shù)量較多；而量子通訊的量子位元間距離較遠、數(shù)量較少。而相互纏繞的量子位元數(shù)量少，難度就沒那么高，比較容易達標。

量子位元的相互纏繞需要謹慎的維持，避免外界電、磁、熱等各種雜訊破壞纏繞－術(shù)語叫退相干(decoherence)，所以量子計算機需要在極低溫下運行是目前技術(shù)條件的必然環(huán)境。量子通訊以前較大的問題是產(chǎn)生量子位元纏繞的速度還不如退相干的速度，量子通訊因此變得不可靠甚或不可行。

量子通訊最近突破性的進展是可以用決定性(deterministic)的方式有效率的產(chǎn)生纏繞態(tài)(注)，講決定性是相對于量子現(xiàn)象天生是機率(probabilistic)的特性。方法說穿了不值錢，就是在一個時間區(qū)段內(nèi)高頻率的制造纏繞態(tài)直到成功為止，這樣在一定時間內(nèi)產(chǎn)生纏繞態(tài)就是決定性的。但是在工程和物理上需要創(chuàng)新，才能達到需要的效率以及纏繞態(tài)的保真度(fidelity)。在量子通訊的應(yīng)用上，這是基礎(chǔ)區(qū)塊。

在網(wǎng)絡(luò)通訊安全這個議題上，量子計算與量子通訊是孿生的，因為量子計算的Shor's算法很容易破解公鑰架構(gòu)(PKI)中的私鑰，不能被攔截、不能被復(fù)制的量子通訊應(yīng)運而生。在加解密這個場域中，量子計算扮演的是劍、量子通訊扮演的是盾的角色。手中有劍有盾固然好，但是如果只能選擇一個，你選擇劍還是選擇盾？