袁嵐峯：理解量子通信，從明白除法比乘法難開始

2016年8月16日，中國最轟動的新聞無疑是世界第一顆量子科學實驗衞星“墨子號”成功發射。在技術層面，量子通信是什麼，為什麼能實現物理原理層面的保密，量子衞星要做哪些實驗，已經有許多文章做了解釋，包括我也剛剛接受了《環球時報》的採訪，這裏就不再多談。本文打算採取宏觀的視角，從上往下看，升得越來越高，揭示量子衞星背後一重一重的大圖景。

第一重大圖景，人們為什麼需要量子通信？如果傳統的保密方式足夠可靠，那麼實際上是用不着這種“絕對保密”的通信方式的。但現在的趨勢正是，傳統的保密方式將要失效，原因是量子通信的兄弟學科——量子計算。量子信息是量子力學和信息科學的交叉科學，量子通信和量子計算是它的兩個分支。

目前最常用的保密算法叫做RSA公鑰加密算法，以三位發明者的姓氏首字母命名。上小學時，我們發現乘法很容易，而它的逆操作除法要難得多。數學中很多操作具有類似的“易守難攻”的特點。找兩個質數，把它們乘起來得到一個合數，很容易，但反過來，給你一個合數，把它分解成兩個質數，就非常困難。用計算機科學的語言説，因數分解的計算量是指數增長的。用現有的計算機分解一個5000位的數字，需要50億年!RSA算法就是以因數分解的困難性為基礎的。

但是偏偏量子計算機有一個分解因數的聰明的算法，能夠把計算量從指數增長降低到多項式增長。這意味着什麼呢？分解一個5000位的數字，將只需要2分鐘!因此，量子計算一旦實用化，現有的絕大多數密碼就會失效。在這個意義上，量子計算是最強的矛，量子通信是最強的盾。以子之矛攻子之盾，孰勝？盾勝!因為量子通信的保密不是基於數學的困難性，而是基於物理原理，層次更高。

對密碼員來説，好消息是量子計算離實用還很遠。但量子計算必然會不斷進步，中美等國都非常重視。8月11日央視新聞報道了中國科學技術大學郭光燦院士實驗室研發的半導體量子芯片，就是量子計算的重要進展。隨着矛的進步，對盾的需求必然會水漲船高。量子通信和量子計算具有這種相輔相成的關係，這是量子信息學科發展的大圖景。

第二重大圖景，量子通信對中國的經濟有什麼意義？在我看來，最顯著的特點是，量子通信是近代以來中國第一次創造新的產業。我們在許多產業已經做到了世界第一，如高鐵、通信、超算，但這些產業都是別國創造的，我們是在別人的框架裏後來居上。只有量子通信，是我們第一個實現產業化，歷史意義十分重大。

量子通信什麼時候能夠進入民用市場，取決於很多技術因素，很難精確預測。潘建偉院士在2016年的兩會上表示：“希望通過10年左右的努力，將來每個人在互聯網上進行的轉款、支付等消費行為，都能夠享受到量子通信的安全保障。”這只是一種估計。但在民用之前，僅看在軍事、政治上的戰略意義，作為對中國經濟隱性的保駕護航，就已經十分重大。這是量子通信產業的大圖景。

第三重大圖景，量子衞星對中國科學發展的路徑有什麼啓示？需要注意，中國在量子通信領域的先進，集中在實驗與工程層面，實現的大多是別人的理論框架，在理論層面還是落後很多的。作為一個後發國家，這已經殊為不易，其實反映了實驗相對易於趕超的性質。

量子衞星是一個獨一無二的國際實驗平台，將用來做很多量子科學實驗。我們掌握了實驗機會的制高點，中國科學家如果有好的理論框架，就可以優先來做實驗。這樣可能會形成良性循環，產生一種工程技術逆襲理論研究的發展模式。同時，我們應該大力鼓勵原創性理論研究，投入更多的人力物力，提出自己的理論框架。這不只適用於量子信息，也適用於高能物理，適用於生物學，適用於一切學科。這是科學發展路徑的大圖景。

第四重大圖景，如何看待中國在量子通信領域的領先？一件令人哭笑不得的事是，當中國落後時，許多人抱怨中國沒有創新，而當中國領先時，這些人又會問：為什麼美國歐洲不做？是不是這條技術路線不成熟，或者壓根就是偽科學？不少人真的在以這種理由論證量子通信是偽科學呢。好，現在美國歐洲看到中國進步神速，也在大幅增加對量子信息研究的投資，這些人又該説什麼呢？

沒創新時喊着要創新，創新出現了又不承認，這是典型的失敗者思維方式。要抱怨，永遠都可以找到可抱怨的地方，為什麼都不做找到藉口。但要做成事，重要的不是找藉口，而是積極主動地去做，要敢為天下先。潘建偉早在2003年就初步構想了量子科學實驗衞星計劃，然後採用種種方法組織團隊、提高能力、爭取支持，可見是真正的帥才。用毛主席的話説，要敢於勝利，善於勝利。中國在農業社會太久，太多人以四平八穩隨大流為美德，這種文化在現代是不利於創新的。現代社會，創新是進步的根本。創新不只是科研人員的事，全社會民眾都應該參與進來，建立推崇創新、奮發有為的文化。這是創新文化的大圖景。

第五重大圖景，量子衞星為什麼以墨子命名？墨子是中國古代聖賢中科學素養最高的，在形式邏輯、數學、力學和光學等領域都有傑出成就。用他命名量子衞星，體現出我們對中國科學傳統的温情與敬意。

然而我們必須遺憾地指出，墨子的科學傳統並沒有發揚光大，在歷史的大部分時期是湮沒無聞的。是西方現代科學傳入之後，我們回頭看，才認識到墨子的卓爾不羣。中國科學史研究中的很多成果，都是這樣產生的。中國為什麼沒有發展出現代科學？黃仁宇經常引李約瑟的一句話：中國人在有一個牛頓式的宇宙觀之前，先有了一個愛因斯坦式的宇宙觀。這是一句俏皮話，意思是中國人太喜歡談事物之間的普遍聯繫，循名責實、嚴謹分析的基本功卻還十分缺乏，結果淪為空談。這個歷史教訓十分沉重，需要銘記在心。這是中國歷史的大圖景。

已往不可諫，來者猶可追。我們應該尊崇先哲的成就，但不躺在上面睡覺。我們也應該瞭解中國古代落後的原因，但不陷入文化宿命論。正如前面所説，重要的不是找藉口，而是積極主動地去做。現在一切條件都遠勝從前，只要有自覺性，什麼能阻止中國人民為天下先呢？

墨子重光，衞星上天，撫今追昔，前景無限。願這大時代，點亮你心中的激情!

作者簡介：袁嵐峯，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員，中國科學技術大學科技與戰略風雲學會會長