未来的量子通信？
让我们深入探讨未来量子通信的各个方面，并尽量详细地阐述：
一、 量子通信的核心原理与优势
在深入未来之前，理解其基本原理至关重要：
量子纠缠 (Quantum Entanglement): 这是量子通信的灵魂。两个或多个粒子（如光子）在产生时就存在一种特殊的关联，无论它们相距多远，测量其中一个粒子的状态会瞬间影响到另一个粒子的状态，这种关联被称为纠缠。
优势: 纠缠可以用于实现量子隐形传态 (Quantum Teleportation)，将一个粒子的量子状态“传输”到另一个粒子上，而不必物理地移动粒子本身。这为超远距离、高保真度的信息传输提供了可能。
量子叠加 (Quantum Superposition): 一个量子比特 (qubit) 可以同时处于0和1的状态，甚至多种状态的组合。这与经典比特只能是0或1的确定状态截然不同。
优势: 使得量子计算机能够并行处理海量信息，而量子通信可以利用这种并行性实现更高效的信息编码和传输。
量子不可克隆定理 (NoCloning Theorem): 量子信息是无法被完美复制的。任何试图复制一个未知量子状态的尝试都会破坏原始状态。
优势: 这是量子通信绝对安全的基石。任何窃听行为都会不可避免地改变量子信息，从而被通信双方及时发现。
总结优势：
1. 绝对安全: 基于量子力学原理，无法被破解或窃听而不被发现。
2. 超高效率: 利用量子叠加和纠缠，可能实现远超经典通信的传输速度和容量。
3. 新型功能: 能够实现一些经典通信无法企及的功能，如量子隐形传态和分布式量子计算。
二、 未来量子通信的构成要素与技术路径
要实现未来的量子通信网络，需要一系列关键技术和基础设施的支撑：
1. 量子光源 (Quantum Light Sources):
功能: 产生单个光子或一对纠缠光子。
未来发展: 追求更高亮度、更窄光谱宽度、更高线偏振度和更稳定的纠缠态产生。例如，集成化的单光子源（如量子点）、高效的纠缠光子对源（如自发参量下转换SPDC、四波混频SFWM）将是重点。
2. 量子信道 (Quantum Channels):
功能: 传输量子信息（通常是光子）。
形式:
自由空间: 利用大气层或真空传输光子。适用于短距离、点对点通信，如卫星通信。
光纤: 将光子在特制光纤中传输。这是构建大规模量子通信网络的基础。
未来发展:
低损耗光纤: 研发传输损耗更低、对量子态更友好的光纤。
量子中继器 (Quantum Repeaters): 这是克服远距离量子信息衰减的关键。传统中继器会破坏量子态，而量子中继器利用量子纠缠分发和纠缠交换等技术，在不读取量子信息的情况下延长量子通信的距离。这是当前量子通信领域最具挑战性的技术之一。
新型传输介质: 探索其他可能传输量子信息的介质，如原子系综、超导电路等。
3. 量子存储器 (Quantum Memory):
功能: 能够长时间、高保真度地存储量子信息。
未来发展: 实现更长的存储时间、更高的存储效率和更强的存储稳定性。这对于构建异步量子通信网络、存储中间节点传递的量子信息至关重要。
4. 量子探测器 (Quantum Detectors):
功能: 高效、低噪声地探测单个光子。
未来发展: 提高探测效率、降低暗计数率、缩短探测时间。单光子雪崩二极管（SPADs）和超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）是目前的主流，未来将朝着更高性能、更易于集成化的方向发展。
5. 量子网络协议与架构 (Quantum Network Protocols and Architectures):
功能: 规范量子信息的传输、交换、存储和处理方式，构建可扩展、可靠的量子网络。
未来发展: 类似于经典互联网的TCP/IP协议，需要建立一系列量子网络协议，如量子纠缠分发协议、量子隐形传态协议、量子密钥分发（QKD）协议等。同时，需要设计灵活的量子网络拓扑结构，以支持多种量子应用。
三、 量子通信的典型应用场景
未来的量子通信网络将为众多领域带来革命性的变化：
1. 量子密钥分发 (Quantum Key Distribution, QKD):
原理: 利用量子力学原理（如测量原理和不可克隆定理）生成和分发密钥。即使窃听者试图窃取密钥，也会在量子信道中留下痕迹，从而被通信双方察觉。
未来发展:
大规模、全球化QKD网络: 构建覆盖全球的QKD网络，为所有通信提供安全保障。这需要依赖量子中继技术克服距离限制。
与现有通信网络的融合: 实现QKD与经典通信的无缝结合，提供混合安全方案。
后量子密码学的补充与替代: QKD是一种“无条件安全”的加密方式，能够抵御未来可能出现的能够破解当前公钥加密算法的量子计算机。
2. 量子互联网 (Quantum Internet):
愿景: 构建一个能够传输量子信息（如量子比特、量子态）的全球性网络，连接分布式的量子计算机、量子传感器和其他量子设备。
潜在应用:
分布式量子计算: 将多个小型量子计算机连接起来，协同工作，解决更复杂的计算问题。例如，协同进行药物发现、材料科学模拟、金融建模等。
增强型量子传感: 将分布式的量子传感器（如量子时钟、量子雷达）进行网络化，提高传感精度和范围。例如，实现更高精度的导航系统、更灵敏的地震预测。
量子隐形传态网络: 实现远距离的量子态传输，为未来的量子通信应用奠定基础。
量子安全云计算: 将计算任务分配到分布式的量子计算机上，并利用量子通信保障数据传输的安全性。
3. 量子通信在其他领域的应用:
金融领域: 保护高价值的金融交易和数据安全。
军事和国家安全: 确保敏感信息的绝对安全。
医疗健康: 保护病患隐私数据，安全传输医疗信息。
科学研究: 支持粒子物理实验、天文学观测等需要高精度和安全性通信的领域。
四、 挑战与发展趋势
尽管前景光明，但实现未来的量子通信网络仍面临诸多挑战：
技术成熟度: 量子中继器、量子存储器等关键技术仍处于研发或早期应用阶段，性能和稳定性有待提高。
成本问题: 量子设备通常昂贵且复杂，大规模部署的成本是重要的考量因素。
标准化与互操作性: 缺乏统一的量子网络标准，不同厂商的设备和协议可能难以互通。
实用化部署: 将实验室技术转化为大规模、可靠的商业应用需要大量的工程实践和优化。
人才培养: 需要大量具备量子物理、计算机科学、通信工程等交叉学科背景的专业人才。
未来发展趋势展望：
集成化与小型化: 量子设备将朝着集成化、小型化和低功耗方向发展，便于部署和维护。
网络化与智能化: 量子网络将更加智能化，能够自主优化资源分配，提供更灵活的服务。
混合网络: 量子网络将与现有经典网络深度融合，形成优势互补的混合通信体系。
应用驱动: 随着量子技术的不断进步，更多颠覆性的应用场景将被发掘和实现。
全球合作: 构建全球性的量子通信网络需要国际间的紧密合作和技术交流。
结论：
未来的量子通信，以其无与伦比的安全性、潜在的超高效率和创新的应用能力，正逐步从理论走向实践。它不仅将重塑信息安全格局，更将开启一个全新的计算和通信时代。尽管前路充满挑战，但随着科学家和工程师们的不断努力，我们可以期待一个更加安全、高效和智能化的量子互联世界。这是一个值得我们持续关注和期待的科技前沿。
网友意见
文章值得思考，很多地方都发不出来，知乎也删了几次，不知道这次可以活多久。
作者：王孟源
2022/02/09 05:30:38
潘建偉集團的發跡，始自量子通信；而量子通信的所謂價值，只在於能在光纖和微波階段抵抗量子計算的破密。顯然這裏的邏輯前提是1）量子計算破密是真實的威脅；2）量子通信能在全系統都做到國安級的保密。然而量子通信其實需要遠遠更複雜、更容易被Compromise破解的中繼站、發信站和接收站，這是過去十幾年來旅居海外的良心科學家反復試圖解釋的事實，雖然被科技部和中國學閥界堅持聽而不聞、視而不見，但稍微有點基本理性邏輯能力的人應該可以簡單看出，既然通信保密的安全程度由最弱環節決定，而量子通信無法滿足前述的條件（2），那麽它反而是得不償失的。
上面這個簡單論證，正是量子通信在股市一番炒作收割（被估計為幾十億，參見《潘建偉的億萬富豪之路》；我無法獨立驗證這篇文章的内容，但既然它談的是股市運作，必然有公共資訊可查，我鼓勵國内做金融的讀者去試圖深究檢驗。）之後，就忽然銷聲匿跡的幕後因素之一。
但另一個讓量子通信虎頭蛇尾的原因，卻遠遠更爲重要，亦即邏輯前提（1）也無法滿足。量子計算能破解古典密碼（其實只限於基於Prime Factorization素因數分解的加密方法，例如RSA，一個發明於1977年的公開碼系統）這個説法的理論基礎，來自1994年發明的Shor’s Algorithm。當時立刻有資本炒作的典型樂觀估計，號稱在2005年前後就能成功。但是28年過去了，實際進展是從2001年的IBM量子計算機有7個qubit，到2021年底是127個（不同團隊選用不同的技術路綫，在相干性和穩定性上有不同的取捨偏重，qubit數目做大的難易也就有所差異，橫向比較只能看數量級，但這裏是同一家公司在時間軸上的縱向對比，沒有前述的問題）；與其同時，誠實的專家估算卻認爲還差8個數量級（參見前文《再談Google的量子霸權》）。即使我們相信美國炒作量子計算的領頭羊Google自己的最新公關（參見《Google wants to build a useful quantum computer by 2029》），到2029年也只能提升4個數量級（亦即摩爾定律的2.5倍，IBM過去20年實際進展速度的9倍多），届時可能有若干未定的“用途”（“Useful”，又是典型的資本炒作公關用語，不排除是用十億美元的新機器來超越一美元的既有技術；不論如何，絕對不是跑Shor’s Algorithm來破解RSA那個真正的標靶）。換句話説，量子計算在2030年之前破解RSA的可能性是infinitesimal。
最近幾年關心量子通信和計算這個話題的人，可能會注意到一個乍看之下非常令人費解的奇異現象，也就是美國的國家實驗室以及軍方都對兩者興趣缺缺，即使在中國高調炒作墨子衛星的時候，連平時蠢話連篇的一批國會議員都沒有隨之起舞。這裏有兩個可能的解釋：1）美國有一個未公佈的量子通信計劃；2）美國有一個讓量子通信毫無用處的計劃。然而量子通信不但是純防禦性的，而且需要明顯、全面、昂貴的基建來配合，根本沒有保密的必要和可能，就連對軍事科技保密成性的中方都明白這個道理，急著和中國比高的美國政客怎麽可能主動放棄大好的公關機會？於是簡單邏輯可以達成結論：美國内部評估100%確定量子通信是騙人的勾當，錢和人應該投入其他有真正意義的科研方向（大家可以停下來體會一下：一個可以憑空印5萬億鈔票的霸權國家明白不能浪費錢，另一個對科研人員極度摳門的新興國家卻全力往錢坑裏扔；這裏是NSA幾年前就公開的評估，參見《Quantum Key Distribution (QKD) and Quantum Cryptography (QC)》；換句話説，美國的間諜組織願意誠實檢討技術優劣、為國家省錢，中國的學術機構卻靠欺騙國家社會來謀私利）。這個正確科研方向並不是什麽莫須有、玄之又玄的絕對機密，而是密碼學的基本功，稍微有點專業知識的人都可以理解：既然量子通信的前提是量子計算，而量子計算的前提是Shor’s Algorithm破解RSA，那麽只要淘汰素因數分解加密法，量子通信和量子計算就失去實用價值。
美國準備淘汰素因數分解加密法，是從Shor’s Algorithm一出現就開始的，兩年後的1996年就有了第一個版本叫做NTRU，它背後的數學基礎用所謂的Lattice Theory格論來取代素因數分解。在2005年，發明了改進版LWE（Learning with Errors）；到2009年，完成嚴謹性論證，從數學上證明對任何量子計算（包括還未發明的新方法，除非徹底解答格論的所有計算問題，參見這篇《Nature》的回顧總結《The race to save the Internet from quantum hackers》）有完全抵抗力。現在不但美國的NIST（National Institute of Standards and Technology）忙著選拔“Post Quantum Cryptography”“後量子加密法”的標準（細節也是很重要的，歷史上NSA曾經矇騙NIST選用一個有後門的密碼標準，後來被Edward Snowden公開，參見《Dual_EC_DRBG》；不過NSA為國安而欺騙，和中科大用國安來詐騙，顯然是天壤之別），以便在未來兩三年就普及，中國的CACR（Chinese Association for Cryptologic Research，中國密碼學會）更是比美國人早兩年，在2020年就已經向國家推薦最優方案。
然而那個方案提送上去之後，據我所知至今還沒有下文。我不知道是否有人故意耽擱，但後來居然是應該被淘汰的量子計算被列為十四五的頭號科研重點，從邏輯上就可以確定，幕後必然有扭曲科技部決策的私心運作；這正是我在博客（參見前文《中國的學術管理問題來自基本的邏輯謬誤》）反復解釋過的，放任學閥坐大，甚至進一步賦予政治權力的惡果。
我個人對潘建偉的認識，始自2015年，有人私下送電郵，建議我看看潘建偉對量子力學的科普。一看之下吃了一驚：潘對量子力學的理解，還完全停留在1930年代Copenhagen詮釋的階段。雖然這對實驗學家來説，一般不成問題，但他是做貝爾實驗出身，而貝爾理論的核心，正是要指出Copenhagen詮釋的不合理之處。換句話説，潘建偉像是只知其然而不知其所以然的三、四流物理學人；然而我從對高能所的觀察，感覺這似乎是中國物理學界的常態，所以當時也不以爲意，只是花一點時間，在博客上寫了幾篇文章（參見前文《談量子力學》系列，和後續的《如何創造研究熱點和一些其他物理話題 》以及《量子去相干詳解》），希望能抛磚引玉，鼓勵中國物理人，尤其是院士們，去學習量子力學的正解。
到了2018年，墨子衛星成爲國内的大新聞，有人寫了針對它的批評文章被私下送給我復閲。我發現那位教授的量子物理做錯了：墨子衛星的設計完全合理；然而在這個論證的過程中，我必須先花幾天時間，閲讀吸收幾十篇相關的論文，結果我又驚覺，墨子衛星照抄了潘建偉博導的實驗設計，而且是潘畢業多年已經當了院士之後才出現的新設計（參見前文《從貝爾實驗談起》系列）。這種自己不能創新，只根據博導的意念來動手實踐，是研究生級別的作爲；即使你能比博導要到更大筆的經費，那純粹是政治能量的表現，並不改變物理上不入流的事實。
然而就是這樣一個政治内行、物理外行的人，成爲中國科技學術界的第一人，在兼並了一個他原本不熟的行業（指量子計算；他連量子通信的本行都無法創新，要跨行做領導顯然也只能是政治性的）之後，把它捧成全國科研的頭號重點方向。本文前半已經論證量子計算即將因爲很便宜、很簡單的軟件新發展而成爲過時的技術，徹底失去任何國安和軍事上的用途；中國完全有能力在正確的新方向引領全球，卻因爲學術管理的腐敗愚昧而自縛手脚，這正是我一再預言的潛在災難。
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