量子通信确保信息安全的现实应用

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：如今，量子计算应用最深入、最具现实意义的领域，毫无疑问是通信网络。正是基于上述原理，量子通信可以最大限度地保证用户的隐私和信息安全，也正因为如此，量子通信在国家信息安全层面有着迫切的现实需求。量子纠缠是一种只发生于微观世界的现象。通用量子计算机就像人工智能领域中的通用人工智能，目前仍处于科学假设阶段，以及出现于科幻作品中。

自从1981年美国物理学家费曼提出量子计算的概念以来，量子计算就从不缺乏信仰者。

2016年欧盟发布《量子宣言》，计划斥资10亿欧元布局量子工业。2018年美国众议院通过《国家量子倡议法案》，全力推动量子科学发展，我国自然也不甘落后，在“十三五”国家科技创新规划中，量子计算被列为战略新兴产业之一。一场量子霸权的争夺战，已经在全球范围内开启。

如今，量子计算应用最深入、最具现实意义的领域，毫无疑问是通信网络。在通信时最大的需求就是保密，如同谍战片里的密码本一样，无论你是无线电还是有线通信，甚至是光纤，都可能被黑客截获窃听。

目前的加密通信类似于压缩包（字典）和密码（字典第几页第几个字）的形式。如果这个压缩包被截取并被暴力破解，甚至被复制并按原样发到接收方去，信息就神不知鬼不觉地被窃取了。

根据量子的叠加特性，让量子通信具有了压缩包不可复制且仅能打开一次，一旦打开错误的压缩包信息就会受损的优势。一旦窃听，接收者就无法收到正常的压缩包，而量子状态的加密信息也无法被暴力破解。

正是基于上述原理，量子通信可以最大限度地保证用户的隐私和信息安全，也正因为如此，量子通信在国家信息安全层面有着迫切的现实需求。

比如1993年，英国率先在10公里的光纤中实现了量子密钥分发。1999年，日本和瑞典合作完成了40公里光纤的量子密码通信。而中国，同样在2000年完成了1．1公里的量子密码通信实验，随后建立了“京沪干线”这个世界上第一条量子通信网络线路，可以实现北京到上海的信息加密，并且在物理层面不可窃听。

量子通信的终极形态是量子传输。在电影《星际迷航》里，科克船长和他的手下走进一个房间，一束光打下来，他们就出现在了另外一个地方。这个过程就是典型的量子传输，利用了电子的另一个特性——量子纠缠。

量子纠缠是一种只发生于微观世界的现象。当甲、乙两个粒子彼此相互作用后，它们所拥有的特性纠缠成为一个整体。比如，我们把甲粒子放在地球，把乙粒子放在月球，当移动甲粒子的时候，乙粒子也会相应移动，它们之间存在某种未知的联系，这种联系甚至超过了光速。我们利用量子纠缠，可以无损地从一个地点传到另一个地点，实现幽灵般的超距离“瞬间移动”，不过目前这还仅存在于理论当中。

除了通信领域之外，量子计算还在量子退火、量子模拟和通用量子计算三个方面实现了应用。

量子退火就是利用量子计算，在许多可能的变量组合中找到最有效的配置。比如在航天领域，美国公司D-Wave是世界上第一家商业化的量子计算公司。早在2013年，NASA就寻求与它的深度合作，因为传统计算机无法应付复杂而庞大的星际轨道数据，这些数据往往不准确，而量子退火正好解决了这个问题。

量子模拟致力于探索量子物理学中超出经典系统能力的特定问题。在生物制药领域，一款药品面市通常需要漫长的试验，而且这些试验的失败率极高，特别是在基因层级的海量数据分析。如果采用量子计算，就可以模拟物质在分子状态的行为，节省大量的时间和成本，进而降低抗癌药物等高价药的价格，帮助到普通病患。

通用量子计算机因为算力的强大和应用的普适性，可以解决绝大多数大型复杂的问题，这包括求解上述量子退火和量子模拟。通用量子计算机就像人工智能领域中的通用人工智能，目前仍处于科学假设阶段，以及出现于科幻作品中。

不过，量子计算能够实现高维推动，促进人工智能和机器学习的大幅进步。

机器学习是在一个高维空间对数据进行操控和分类。假如通过量子计算，能利用另一种维度的空间来操控这些高维空间，打破机器学习在数据量和空间维度的制约，比如集成量子线路的量子芯片便是在这种基础上诞生的。

量子通信确保信息安全的现实应用

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