王建宇院士：存在误解，量子通信不会取代现有通信技术

量子通信是量子 科技 三大方向之一，经过20多年的努力，中国在该领域实现了从跟跑到领跑的重大转变。

近日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”牵手“京沪干线”，我国科研团队成功组建了世界上首个天地一体化的广域量子通信网络，实现了长达4600公里的综合通信链路距离跨越，也为我国未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实基础。这一成果在国际学术期刊《自然》发表。《自然》杂志审稿人评价称，这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络，是量子通信“巨大的工程性成就”。

日前，在腾讯新闻“空天计划”推出的《星空对话》栏目第四期上，北京跟踪与通信技术研究所高级工程师、北斗地面试验验证系统副总设计师卢鋆，对话中国科学院院士，量子科学实验卫星工程常务副总设计师、卫星总指挥，中科院上海技术物理研究所研究员王建宇，针对量子通信的技术突破和应用，展开了深入剖析和解读。

王建宇表示，许多人对于量子通信都存在一定误解。事实上，量子通信是现有通信技术的补充，并不能完全替代它们，它的作用是给普通的通信技术提供一种在密钥分发过程当中无法破译的密码。之所以现在叫“量子通信”是因为最早的时候名称是从国外直接翻译过来，Quantum Communication被翻译成了量子通信， 其实更严谨的说，量子通信就是产生一种不可破译的密码。

量子通信作为排头兵走在通信技术、信息革命的最前列，它是一个非常重要的突破点。那么，这个突破点的核心在哪儿？

对此，王建宇解释， 上个世纪初有两个非常著名的物理学上的重大发现，一个是爱因斯坦创建的家喻户晓的“相对论”，还有一个就是量子力学。 量子力学作为四大力学之一，起到了非常大的作用，而且爱因斯坦本身就是量子力学的发明人之一，他的第一个诺贝尔奖的获奖原因就是提出了光电效应，提出了光是粒子化的，这就是量子力学的一个核心概念。

“虽然量子力学并没有像相对论那么广为人知，但是在大学的课程中量子力学是必修课程，它揭示了微观世界粒子运动的规律。可以这么说，如果没有量子力学，就没有现在的半导体工业，大家每天在用的手机，都不会存在。”王建宇说。

近些年量子力学又热起来的原因是在量子力学理论中，存在很多理论上可以推导出来，但是现实上还不能解释的现象。近几年来，由于物理和 科技 的发展，很多现象可以通过实验去解释了，甚至可以为我们所用，这相当于量子力学又迎来了新一轮的革命。

“这也是我们现在所说的所谓‘量子信息学’，它包含了以下三大部分：量子通信、量子计算、量子测量。”王建宇说。

对于未来量子通信领域的发展，王建宇认为，产 业发展是很复杂的一件事情。大家目前很看好量子这个赛道，投资市场也比较火爆。 但让量子真正产业化，它的门槛比较高，还会有很多困难。如果是补充作为密钥，真正做起来市场也是巨大的。在量子测量、导航应用方面，还有一些量子成像、量子雷达等，首先会在国家安全上得到一些应用，也会出现一些相应的产品。投资量子领域是好事，但是风险也要看得到。

未来，在量子计算包括量子探测领域，还有哪些发展和 探索 ？王建宇指出，首先，在量子测量方面，量子探测要用的就是量子陀螺，目前很多人都已经在做了，它比传统的陀螺高几个数量级。其次，量子定位可以通过量子的办法降低干扰，提高精度。同时，用量子的方法也可以做重力场的传感器，这也可以提高精度。第三，在遥感领域有一种新的量子成像，理论上可以对传统遥感成像理论提出一些挑战，但是它离真正达到现在成像的效果还有很多路要走，原理已经有所突破。量子测量非常实用，是具有潜力的发展领域。

5G的硝烟还没散去，甚至大部分人到现在还没体验过5G。量子通信又登上全球竞技台，在全球物理学家还没搞清楚量子力学的时候，我们已经发射了全球第一个量子卫星 墨子号。在量子领域我们做到了独步全球，让很多西方物理学家求分享，感慨自己国家为什么不发展量子通讯。

为什么我们身边没感受到，难不成是一个鸡肋的噱头，今天就来解密中国领先的量子通讯。

所谓量子，在物理学就是一个单位，即不能再分割的最小单位，由德国物理学家M·普朗克发现，普朗克是量子力学开创者。和爱因斯坦并称为20世纪最伟大的物理学家，并且比爱因斯坦要早，给了爱因斯坦很多灵感，也算是神人一个。

普朗克发现能其实是不连续的，而是由若干个部分组成，量子就是基本单位，光的量子就叫做光子。例如一束激光，能量就是光子的整数倍 这个倍数就是频率，牛顿经典力学无法解释微观的物理现象，但是量子力学可以，当然并不是说宏观就是牛顿力学 微观就是量子，而是世界的本质就是量子的。

但是在微观领域，人们更容易感受到量子的存在。牛顿的经典力学在量子物理学家眼里，就是量子在宏观世界的一种近似值。方便计算，例如宏观的超导 超流 半导体都是经典的量子现象，因此想要引领未来的科技，量子力学是目前新的大门，要了解量子通信，还得继续深挖一下这个量子纠缠。

量子理论最有意思的地方就是量子纠缠，一个量子发生状态上的改变，无论多近还是多远，都会有一个相同的量子发生同样状态的改变。被爱因斯坦称为鬼魅般的超距相互作用。因为量子纠缠违反了相对论中对于信息传递所设定的速度极限。无限远的距离都可以产生联系，但是光速又是有上限的。

目前对于量子纠缠最简单易懂的解释是，一个封闭箱子内有两个电子A B，电子的状态，可能上旋，可能下旋，所以纸箱内有四种情况。AB都上旋 AB都下旋，A上B下 A下B上，但是电子有一个特性，一旦距离足够近就会产生叠加，变成相反的状态。如果A是上旋，那么B就会变成下旋，此后无论分得多远 都是这样。如果你不观测，那么A和B谁上旋谁下旋都不好说，这就是纠缠。如果A或者B的一方被观测到状态，那么纠缠打破，成为独立的两个电子。

这里很多人认为这样就能实现超远距离瞬间通讯，不好意思，目前的量子通讯还得依靠普通通讯手段，传递制备的纠缠光子。所以没办法做到超光速体验，因为在千里之外手握B电子的人，看到的B可能是上旋可能是下旋。没办法由A进行控制，所以实现不了信息传输，当下量子通讯的意义就是对信息进行加密，对于很多行业来说，保密比快更重要。

上世纪末期很多科学都在为了证明量子纠缠。而不懈努力，但是大部分实验都是漏洞百出，没办法证明，但是这些科学下的实验都为量子通讯打下了基础，量子密码学蓬勃发展。

1995年量子纠缠通讯在欧洲被实践成功，全球量子通讯竞赛开始，在国外科学家理论研究的技术上，中国科学家接过量子应用的大旗，中国科学家发现，光子在光纤中，无法放大量子通讯讯号，但是在真空中光线传播不受限制。所以需要一颗中转卫星。

2016年8月份，在酒泉卫星发射中心，长征二号丁运载火箭将墨子号量子卫星送上了太空，至于为什么叫墨子号。因为墨子是第一个提出光是沿直线传播的人，墨子号卫星就可以当成一个放大版的量子纠缠实验。实验距离达到了1200公里并且获得通讯成功。也就是说两个间隔1200公里的量子实现了互动，首条量子通信骨干网络京沪干线，也已经实现了6点间的洲际量子通信视频会议。除了在中国本土东南西北设置了四个地面接收站，并且在维也纳和格拉茨设置了地面站，和海外科学家分享实验成果。

要说量子通讯和传统通讯有什么不同，那就是量子通讯有着绝对的信息安全，因为量子除了具有不可分割性，还具有不可克隆性。简单点说，就是窃取一个信息，肯定要先复制它。但是量子通讯一旦被干扰，就会改变状态，也就是坍塌，双方的人就知道自己的通讯被监听了，例如利用量子纠缠制备秘钥，一旦这个秘钥被监听，那原来的密钥宣布失效。信息传出方自然不会用这套秘钥制定密文发送，所以窃取信息变得毫无意义。目前的物理学家已经从数学逻辑上，验证了量子通讯具有绝对的保密性。其中量子密钥分发生成量子密码，可以和二进制兼容，这也就为量子通讯的应用打开了大门。

所以中国拥有在轨运行的量子卫星，并且展开了星地纠缠实验。意味着中国在量子通讯领域已经走在了世界前列。而很多科技大国，在量子通讯领域基本还处于停滞阶段，将会在未来能源、军事、金融领域的信息安全差人一等。而墨子号实验，正式摆脱这种风险。对于民生而言，构建天地一体的通讯网络，更有有利于互联网、导航、新型货币的安全应用。

未来一旦突破超光速传输。量子的威力一点不输给今天的半导体制造技术。所以不必着急，等到量子天地一体组网成功，将会是跨越式的生活体验，而不是从4G到5G这种量的变化。

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