任教授 中科大副教授 墨子号量子科学实验卫星主任设计师

 任教授：

量子是什么？量子不是具体的，光子、原子都是量子，是构成物质和能量的最小单元，具有很多宏观世界里面所不能理解的表象，比如不可分割，有一定的相干性，纠缠性。量子力学的提出是为了研究微观结构和微观世界的运行，量子力学给生活带来了很大改变，半导体、核能、电子计算机、互联网最初都是服务于量子力学研究。现在量子科技在最近几年解决信息学的一些关键技术问题。

目前在量子信息领域分为三个方向：量子通讯、量子计算、量子精密测量。

 量子通讯：

量子通讯的介绍、用途：目前最成熟的量子通讯的技术就是量子密钥分发。量子秘钥分发解决的是通信过程中在需要保密通信的时候，解决密钥交互的安全性。目前通信用的公钥体系是基于数学的复杂性，并不是物理原理上的安全，只是说数学问题计算起来非常复杂，用超级计算机不可能解决。现在秘钥体系已经受到量子计算以及更好的算法的冲击。

目前说的是量子通讯不是直接传某个信息或者取代目前的通信系统，从传信息方面与速率来讲没有优势，它只是解决信息安全的问题，即秘钥分发的安全性问题，作为现在通信体系的有力补充，把信息安全保障提高，应对量子计算等新算法的冲击。

至于量子通讯可能还包含量子隐形传态或者量子直接通讯方面的工作，这些还停留在实验室阶段，用途有一些展望，还不是太成熟。

量子通讯目前是整个量子信息学里应用推的最广的，但是它也是仅限于在量子密钥分发。

 我国竞争地位：我们国家处于领先地位，率先发射墨子号的量子科学实验卫星。

国盾、国科量子等已经开始推进量子秘钥分发的使用，所有基于新的量子秘钥分发的

还同时基于墨子号，墨子号是2016年发射，未来可能在1~2年内会发射秘要分发实现全球保密通讯或者秘钥分发服务。我们已经有了小型化的空间站，小于100公斤，在没有特别遮挡的区域就能实现秘钥分发。

 美国，欧洲，日本，加拿大，新加坡都提出发射量子通讯卫星计划。此外，地面的光纤骨干网络我国已经有了京沪干线，未来还要实现从合肥到武汉，北京到武汉，武汉到广州的基础干线/量子密钥分发的网络，为城市内部的用户提供服务。城市之间或者跨州级，可以用卫星来进行快速的连接，从而实现地面任意用户节点的分发、无条件安全量子密钥的功能。

 量子计算：

量子计算的介绍、用途：超级计算的发展已经到了极限，目前计算的速度已经受到限制。现有的计算是串行计算，不管计算多快都是一个接着一个算，但量子计算是利用量子比特的纠缠或者相干的作用以实现并行的计算。当关联的比特数比较多的时候，体现出来的计算能力就会大大的超越现有的经典计算。比如量子计算的著名算法12算法，解决的是大数分解问题，也是我们公钥体系一个重要的基础，这个问题目前的超级计算机可能要算几百万年才能算出，但量子计算可能几秒钟就能解决。流行病学，气象预报，制药等都涉及到很复杂的计算，所以量子计算前景好但是距离真正的通用量子计算比较遥远。

 目前的量子计算主要解决某个特定问题。去年谷歌的量子称霸，即机器在某个特定的问题上远远超过现有计算机，选的问题很取巧，只有这个问题可以用量子计算机来解决并且体现出量子的优越性。其他的问题目前还没有一个很好的办法来体现整个量子计算机的优越性。

 单纯的讨论比特数目目前来讲没有什么意义。在比特数目之上还要有保证度。

 我国竞争地位：

国际上各国都很重视，各国并跑。我国稍比美国的谷歌微软落后一点点，预计今年完成去年谷歌的量子称霸，预计有60个比特。

 国际上主要以大公司 微软，IBM，谷歌为主导，我国还是依靠大学和研究所，现在也有公司介入，比如国盾量子，问天，本源等都在做量子计算方面的产业化工作。

 量子精密测量：利用量子的方法来突破更精确的测量。

经典测量有时间，精度上的极限。用光中或者原子中来进一步的提高时间测量的精度，可能会对导航定位、量子雷达、量子成像（比先有成像实现更多功能）产生积极影响。另外主要还是基础科研，比如说对引力波的探测，暗物质的探测等。

 我国竞争地位：稍稍落后，处于追赶状态，指标上接近，但是产业化方面也有部分商业运行公司。

 量子信息领域未来能够为生活，社会和国家提供比较有用的东西，但都是加强现有体系，并没有想要取代现有体系。比如量子计算5-10年或者10-20年不可能取代现有计算体系。

 Q&A：

 Q：传递信息相关问题

量子的方法确实是可以传递信息，量子隐形传态目前无法脱离经典通讯方式，它没有传粒子本身，只是在通讯双方共享秘钥、共享纠缠，通过携带信息的粒子和纠缠相互作用，就可以把信息传到远端。但若要正确的提取信息，还是需要经典信息的辅助。

 Q：技术有什么样的突破导致现在对量子的关注度有提升？

本来量子信息产业对国计民生，国家安全有重要意义，量子秘钥分发虽然还存在各种问题，从原理上对信息安全提供更好保护，对国家来说必须发展，从战略层面秘钥安全是大事情，进一步把他真正用起来。同时，通过墨子号和京沪干线验证了真正的实用价值，国际其他国家也在跟。

量子计算更重要，不仅可以破译密码来攻击密码体系锚，同时如果解决了硬件和软件的问题，有很多目前看来很难去研究的问题都可以得到缓解。目前的科技发展大量的需要

更高的计算能力或者更先进的计算方法。

 Q：未来具体和重点投资在什么方向？复制多发卫星还是？

量子秘钥分发主要是全球投放秘钥，国家层面已经给了相应支持来发卫星，现在制约的问题我们要找到很多的用户，把地面的产品做得更好用，让用户更愿意用，把整个网络建起来。从2017年完成实验后，央行，工行，交行，北京农商行等用京沪干线产生的秘钥传递灾备数据，此外也有外交部门、国家电网、铁路、部队等领域的应用，量子秘钥产品已经有真的花钱的客户。

希望未来3~5年能够建立一个3~5颗卫星、地面至少100~200个用户的初步网络体系。未来5~10年把用户进一步提高，真正建立一个可以使用的网络。

 Q：上卫星之后，要很大的功率才能把信号发上去，是什么形式？

光纤本身的问题是分发距离最多几百公里，然后用可信中继通信把长三角连起来，卫星不是靠大功率来传递秘钥信息，每一个信号都是在单光子级别的，能拿到信号还需要对的更准、自由空间等。自由空间只有一个光束发散的衰减。通过光学的设计把光束的发散尽量减少。

 Q：加密方式在民用领域会有一些问题，国家是否有担忧？

民用对信息安全的等级要求并不是特别高，现在有考虑量子对讲机，量子硬盘，量子手机等。几个月前与华为，中兴一起探讨如何将量子安全融入5G,6G网络。

下一步在国家重大项目针对各个行业应用来研究如何应用、如何建立应用标准，与现有秘钥体系进行融合等。

 Q：光子会衰减，若从合肥到北京中间可能需要建很多个中转站，大概需要建几个这样的中转站？未来这种整套设备成本大概多少？未来有没有减少的一个可能性

 现在最好的光纤衰减大概是0.2GB/KM。实验室中最好的光纤密钥分发、无中继的情况下能达到500多公里，在传感率相对好的情况下，建议在200公里以内去应用。

京沪干线从北京到上海有32个节点，把每个节点大约为几十公里100公里左右。现在比较成熟的技术，大概在100公里以内、不良的可信冲击较合适。成本还是在逐渐的降低。同时如果能够进行批量化的生产的话，那么应该成本会进一步下降。

 20201018量子科技会议纪要（主要是科普）：1、目前在量子信息领域分为三个方向：量子通讯、量子计算、量子精密测量；量子通讯不是直接传某个信息或者取代目前的通信系统，从传信息方面与速率来讲没有优势，它只是解决信息安全的问题，即秘钥分发的安全性问题，作为现在通信体系的有力补充，把信息安全保障提高，应对量子计算等新算法的冲击。2、量子通讯我们国家处于领先地位，率先发射墨子号的量子科学实验卫星。国盾、国科量子等已经开始推进量子秘钥分发的使用，所有基于新的量子秘钥分发的还同时基于墨子号，墨子号是2016年发射，未来可能在1~2年内会发射秘要分发实现全球保密通讯或者秘钥分发服务。我们已经有了小型化的空间站，小于100公斤，在没有特别遮挡的区域就能实现秘钥分发。3、量子计算：我国的稍稍落后，处于追赶状态，指标上接近，但是产业化方面也有部分商业运行公司。量子信息领域未来能够为生活，社会和国家提供比较有用的东西，但都是加强现有体系，并没有想要取代现有体系。比如量子计算5-10年或者10-20年不可能取代现有计算体；4、量子精密测量：利用量子的方法来突破更精确的测量。经典测量有时间，精度上的极限。用光中或者原子中来进一步的提高时间测量的精度，可能会对导航定位、量子雷达、量子成像（比先有成像实现更多功能）产生积极影响。另外主要还是基础科研，比如说对引力波的探测，暗物质的探测等；5、光纤本身的问题是分发距离最多几百公里，然后用可信中继通信把长三角连起来，卫星不是靠大功率来传递秘钥信息，每一个信号都是在单光子级别的，能拿到信号还需要对的更准、自由空间等。自由空间只有一个光束发散的衰减。通过光学的设计把光束的发散尽量减少。 6、民用对信息安全的等级要求并不是特别高，现在有考虑量子对讲机，量子硬盘，量子手机等。几个月前与华为，中兴一起探讨如何将量子安全融入5G,6G网络。 下一步在国家重大项目针对各个行业应用来研究如何应用、如何建立应用标准，与现有秘钥体系进行融合等。7、京沪干线从北京到上海有32个节点，把每个节点大约为几十公里100公里左右。现在比较成熟的技术，大概在100公里以内、不良的可信冲击较合适。成本还是在逐渐的降低。同时如果能够进行批量化的生产的话，那么应该成本会进一步下降。