量子加密競(jìng)賽展開(kāi)，中國(guó)領(lǐng)先

編譯 胡德良

量子交換公司的埃里克·海伊（Eric Hay）正在曼哈頓和紐瓦克之間建立量子加密鏈路

從谷歌到中國(guó)的阿里巴巴，世界領(lǐng)先的科技公司正在展開(kāi)競(jìng)賽，爭(zhēng)先恐后地建造第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)功能要強(qiáng)大得多。然而，這種設(shè)備可能會(huì)破壞保護(hù)數(shù)字信息的加密技術(shù)。因此，從數(shù)十億美元的電子商務(wù)信息到存儲(chǔ)在政府?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)中的國(guó)家機(jī)密，一切數(shù)據(jù)都面臨風(fēng)險(xiǎn)。

解決辦法是什么？相關(guān)的加密技術(shù)有賴于物理世界中的相同概念。正如一些科學(xué)家正在研究量子計(jì)算機(jī)一樣，其他科學(xué)家正致力于量子安全技術(shù)的研究，以降低量子計(jì)算機(jī)未來(lái)破解代碼的能力來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)。

這是一場(chǎng)具有國(guó)家安全意義的競(jìng)賽，雖然建造量子計(jì)算機(jī)仍然是各國(guó)追求的目標(biāo)，但中國(guó)在量子加密方面擁有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。就像對(duì)待人工智能等其他尖端技術(shù)一樣，中國(guó)政府也對(duì)各種量子研究予以優(yōu)先考慮。

前橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員鄧肯·厄爾（Duncan Earl）說(shuō) ：“為了擁有這項(xiàng)技術(shù)，中國(guó)有一個(gè)深思熟慮的策略。如果我們等上5年或10年時(shí)間再來(lái)發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)就太晚了！”目前，厄爾是Qubitekk公司的總裁兼首席技術(shù)官，該公司是一家正在探索量子加密技術(shù)的企業(yè)。

量子計(jì)算是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的，量子力學(xué)是解釋極小物質(zhì)粒子所表現(xiàn)出的奇怪行為的科學(xué)。對(duì)于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，晶體管存儲(chǔ)信息用“比特”表示，每個(gè)比特非1即0，這些是用來(lái)告訴計(jì)算機(jī)該做什么的基本數(shù)據(jù)片斷。當(dāng)某些物質(zhì)極小或極冷時(shí)，它們的特性會(huì)有所不同。這種不同可以通過(guò)量子比特（qubit）來(lái)存儲(chǔ)1和0的組合，兩個(gè)量子比特一次可以容納4個(gè)值。隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，量子計(jì)算機(jī)的威力就會(huì)以指數(shù)方式增強(qiáng)。

跟量子計(jì)算一樣，量子加密也依賴于非常微小的物質(zhì)所表現(xiàn)出的非直觀特性。數(shù)據(jù)保密的代碼是由光子（最微小的光粒子）發(fā)送的。類(lèi)似于阿司匹林瓶上的封印，使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備就很容易判斷它們是否遭到篡改。如果使用得當(dāng)，該保密技術(shù)可能是不可破解的。

然而，目前無(wú)法保證能夠跨越長(zhǎng)距離構(gòu)建可行的量子加密網(wǎng)絡(luò)。但如果真的可以，中國(guó)愿意進(jìn)行試驗(yàn)，并將政府、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的資源投入其中，而且可能會(huì)帶來(lái)巨大的回報(bào)。

芝加哥大學(xué)的一個(gè)量子研究機(jī)構(gòu)正在研究可以擴(kuò)大加密范圍的設(shè)備，這種設(shè)備稱為量子中繼器

大衛(wèi)·奧沙隆負(fù)責(zé)監(jiān)管芝加哥大學(xué)量子研究的大部分工作

中國(guó)投入了數(shù)千萬(wàn)美元，建設(shè)能夠利用量子加密傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。2017年，一顆名為“墨子”號(hào)的中國(guó)衛(wèi)星利用量子加密技術(shù)在北京和維也納之間完成了視頻通話。目前，量子加密只能在有限的距離內(nèi)運(yùn)行，最遠(yuǎn)的紀(jì)錄就是北京到維也納之間的4 630英里。經(jīng)過(guò)4年的規(guī)劃和建設(shè)，北京和上海之間的專(zhuān)用量子通信網(wǎng)絡(luò)也于2017年投入運(yùn)營(yíng)。

在中國(guó)對(duì)量子加密技術(shù)的投資中，“墨子”號(hào)衛(wèi)星得到了最多的關(guān)注。政府支持中國(guó)科技大學(xué)，這所大學(xué)推出了“墨子”號(hào)人造衛(wèi)星，帶頭創(chuàng)建了跨越1 200英里的地面網(wǎng)絡(luò)，這可能暗示著中國(guó)有大幅改善加密通信的目標(biāo)。

光纖網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)安徽和山東兩省，兩地政府為該項(xiàng)目共投入8 000萬(wàn)美元。如同中國(guó)其他所有的重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目一樣，這些計(jì)劃得到了中國(guó)政府的大力支持。網(wǎng)絡(luò)主線正在擴(kuò)展到其他地區(qū)和城市，目標(biāo)是到2030年創(chuàng)建一張中國(guó)建造的、全球共享量子加密密鑰的網(wǎng)絡(luò)。

一些安全專(zhuān)家對(duì)量子加密的有效性提出質(zhì)疑。該技術(shù)如此新穎，還沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何較嚴(yán)格的測(cè)試，難以得到持懷疑態(tài)度的密碼學(xué)家的認(rèn)可。

但是，中國(guó)科技大學(xué)物理學(xué)教授陸朝陽(yáng)表示，京滬量子網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)了重大升級(jí)。通過(guò)傳統(tǒng)方式進(jìn)行通信，竊聽(tīng)者可以在光纖線路的任何點(diǎn)位截取數(shù)據(jù)流，可以在任何地點(diǎn)竊聽(tīng)這條線路上的信息。量子加密將京滬線1 200英里跨度上的薄弱點(diǎn)數(shù)量減少到僅僅幾十個(gè)。陸教授稱：“我們承認(rèn)這是一個(gè)暫時(shí)的解決方案，而不是最終方案，但它在安全方面已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步。”

在美國(guó)，政府和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為量子加密只不過(guò)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)而已。相反，研究人員專(zhuān)注于使用數(shù)學(xué)方法來(lái)構(gòu)建能夠匹配量子計(jì)算機(jī)的新型加密，這種技術(shù)不需要新的基礎(chǔ)設(shè)施。但是，目前在中國(guó)研究活動(dòng)和量子研究最新進(jìn)展的推動(dòng)下，美國(guó)的一些企業(yè)正在追趕上來(lái)。

南加州初創(chuàng)企業(yè)Qubitekk正在努力利用該技術(shù)來(lái)確保田納西州的電網(wǎng)安全；還有一家初創(chuàng)企業(yè)量子交換（Quantum Xchange）正在東北部建立量子加密網(wǎng)絡(luò)，希望為華爾街銀行和其他企業(yè)提供服務(wù)；長(zhǎng)島石溪大學(xué)的研究人員正在準(zhǔn)備創(chuàng)辦另外一家企業(yè)。

像Qubitekk這樣的小型初創(chuàng)企業(yè)，不可能跟中國(guó)已經(jīng)為量子加密創(chuàng)建的、投資了數(shù)百萬(wàn)美元的基礎(chǔ)設(shè)施相比。但許多專(zhuān)家認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)室里將會(huì)進(jìn)行更重要的工作，而且能源部也正在為芝加哥的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試提供資金，這可能會(huì)削弱中國(guó)部署的那種加密系統(tǒng)。洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也正在與Qubitekk公司合作，通過(guò)量子技術(shù)來(lái)保證電網(wǎng)的安全。

量子交換公司正在曼哈頓和紐瓦克之間建立量子加密鏈路，并計(jì)劃將兩個(gè)城市的大型銀行聯(lián)接起來(lái)。最終，公司希望將這個(gè)網(wǎng)絡(luò)延伸至整個(gè)東海岸。

芝加哥大學(xué)的研究人員希望更進(jìn)一步，探索所謂的量子中繼器，這種設(shè)備可以擴(kuò)大量子加密的范圍。芝加哥大學(xué)教授大衛(wèi)·奧沙隆（David Awschalom）負(fù)責(zé)監(jiān)管該大學(xué)量子研究的大部分工作，他說(shuō)：“我們還沒(méi)研究到那一步，但是我相信在未來(lái)幾年能夠?qū)崿F(xiàn)。”

量子通信技術(shù)需要新的硬件，包括大量的光纖線路網(wǎng)，可能還有衛(wèi)星以及能夠探測(cè)單個(gè)光子的專(zhuān)用設(shè)備。

隨著量子加密網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)，Qubitekk公司已經(jīng)無(wú)法購(gòu)買(mǎi)到完成工作所需的特殊光探測(cè)器。最初，這家公司從新澤西州的一家小型制造商——普林斯頓光波公司購(gòu)買(mǎi)探測(cè)器。但是在2018年4月，這家制造商將探測(cè)器業(yè)務(wù)交給了中國(guó)的潤(rùn)銘宇公司，因而對(duì)Qubitekk公司的供應(yīng)出現(xiàn)中斷。潤(rùn)銘宇公司已經(jīng)承諾向Qubitekk公司提供硬件，但是最近又告知Qubitekk公司，由于生產(chǎn)問(wèn)題暫時(shí)無(wú)法供應(yīng)額外的探測(cè)器。歐洲的小型公司也在銷(xiāo)售類(lèi)似的探測(cè)器，全球的實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)更加先進(jìn)的硬件。但就目前而言，供應(yīng)十分有限，尤其是在美國(guó)。

資料來(lái)源 The New York Times