郭光燦院士：突破經典開創新產業

　　郭光燦院士談量子信息技術

　　量子特性在信息領域有著獨特的功能，在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面可能突破現有經典信息系統的極限，于是量子力學與信息科學相結合便誕生了一門新的學科分支——量子信息科學。

　　近年來，量子信息在理論和實驗上已經取得重要突破，引起各國政府、科技界和信息產業界的高度重視。我國科學家在這一領域取得突飛猛進的發展，不僅掌握了量子通信的核心技術，而且成功實現了商業應用，展現了量子通信技術廣闊的市場應用前景。近日，中國科學院院士、中國科技大學教授郭光燦就此話題接受了記者專訪。

　　量子密碼源于一個青年科學家的奇思妙想

　　據郭光燦介紹，上世紀70年代，美國社會偽鈔現象十分猖獗，為了防范偽鈔，哥倫比亞大學一位年輕學者提出了量子貨幣的概念。根據他的理論，量子貨幣無法復制，一旦被復制就會損壞。不久，他把自己的想法寫成論文投向一家專業性雜志。雜志編輯認為其想法無異于天方夜譚，作了退稿處理。

　　大約在上世紀80年代初，美國密碼專家彼尼特和一位加拿大密碼學家對這位年輕人的設想進行了一番研究，發現由此可以建立量子密碼，隨后BB84量子密鑰方案問世。這也就是目前國際上使用最多的一種量子密鑰方案。他們的研究結果在實驗上得到了證明。

　　量子通信從實驗室走向光纖網絡

　　“BB84量子密鑰方案在理論和實驗上都被證明是絕對安全的技術，但這種方案在從實驗室裝置應用到光纖網絡的過程中，遇到了一個極大的難題——不穩定。各種因素都可能破壞它的穩定性，使傳輸碼常常變成亂碼。”郭光燦說。

　　為了解決穩定性問題，曾有科學家建立了一套方案：讓一個光子朝一個方向發送，兩端建立密鑰。瑞士科學家用這種方法在日內瓦湖底商用光纖上建立了世界上第一個真實的密鑰。但后來人們發現，這種方法雖然穩定，但不安全。如果用一個光子跟蹤信號光子，再把這個光子收回來，即可竊取所有信息，而且這個光子很難被發現。

　　郭光燦課題組通過幾年努力，發明了一套新方案，可保證單向光子的穩定性和安全性，并且已獲得國際ZL。

　　課題組使用這一方案，在2005年租用的一條從北京到天津125公里的光纖上試用，結果非常令人滿意。由此，他們成功地在北京和天津之間建立了世界上最長距離的商用密鑰，使量子密碼技術從實驗室走向了光纖網絡。

　　然而，光纖傳輸能否做到真正的保密通信?郭光燦表示，還必須解決3個問題：光纖上實現任何兩點之間的保密通信;任何兩個用戶保密通信不會互相干擾;一個領導機關給下屬同時多點保密通信，即可否群發保密。只有同時實現這3種功能，才能真正實現網絡保密通信。

　　他進一步解釋說，解決這個問題遇到了一個關鍵難點：路由器問題。

　　一般而言，路由器可以識別一個信號，并讓這個信號根據需要傳送給任意一個對象。可量子的特殊性質是，只要去識別，原有的信號就會被破壞。為了解決這一問題，郭光燦實驗室發明了一種叫“量子路由器”的裝置。這種裝置依靠一種波長做標識，使不同的光子到達不同的地點，成功解決了網絡路由的問題。目前，這項技術獲得了美國ZL。

　　利用這兩項技術，郭光燦課題組于2007年在北京商用光圈里建立了城域網的通信，成功演示了量子保密通信網絡。

　　后摩爾時代的新經濟生長點

　　因為安全性得到了保證，量子密碼被認為是改變人類未來的新技術，近年來世界各國都投入了大量研究經費發展量子信息科學，取得了許多重要成果。

　　郭光燦表示：“量子密碼保密通信技術已到了實際應用的階段，其基本原理基本上都得到了解決。凡需要保密的，量子密鑰就能提供保密手段。從網上聊天到公文保密，抑或銀行匯款，都可以使用量子密鑰，應用范圍極其廣泛，因而‘錢’途無量。”

　　黑客對量子密鑰束手無策。雖然黑客能偷聽，但很容易被發現。因為量子密鑰交流的雙方以隨機協議為基礎，且協議只有交流雙方擁有，傳遞信息時，內容完全無序化。若獲取，必須通過密鑰反變換，才能恢復成有序數據。而這個密鑰限于交流雙方，其他人無法得到。

　　據郭光燦介紹，他的一個博士生已設立“問天量子”公司，試圖實現量子密鑰商業化應用。2009年5月，郭光燦課題組在安徽省蕪湖市成功建立了量子政務網，在產業化方向上實現了重大突破。

　　郭光燦說：“這個政務網在原來光纖通訊基礎上再加上量子技術即可，無須改造網絡的全線路和裝置，與光纖網絡兼容。這種網絡保密通信，既可實現語音的保密通信，文本和圖像的保密通信，還可實現視頻會議的保密通信。因此，可實現光纖網絡目前所有功能的保密通信。”

　　量子計算機具有無與倫比的威力

　　據了解，量子信息技術包括兩方面，量子通信和量子計算機。量子計算機目前還處在基礎研究階段，未能實際應用。

　　郭光燦介紹說，在理論上，量子計算機具有現在電子計算機所無法比擬的功能。其最大的優點是利用量子性質作并行處理，即單個CPU就可進行并行處理，并行處理的能力隨著處理器的指數上升，一臺量子計算機的功能相當于許多臺電子計算機功能的綜合，可能還會超過其速度。因此，許多電子計算機不能解決的難題，量子計算機能很快解決。

　　然而，量子計算機研制成功的難度很大，目前尚未有顯著進展，最主要的瓶頸問題是量子計算機的硬件——量子芯片尚未制造成功。據介紹，量子計算機的基本單元叫量子處理器，量子處理器是一個量子系統，需要成千上萬的量子比特構成一個量子芯片，比量子通信復雜得多。

　　郭光燦說：“人類還不知道如何操控微觀世界。在經典世界，人類的操控能力很強，可以發射機器人到火星上采集樣品，進行分析，并把分析結果的信號傳回地球。但是人類對微觀世界的操控能力遠未達到這樣的水平，這是極大的挑戰。”

　　“此外還有一個特殊困難。量子的最大優點就是其相干性非常好，所有的特點都由量子相干性引導而致，包括量子保密通信的不可破譯、不可竊聽等。量子計算機的并行處理能力也由其量子性決定。如果量子性被破壞，機器的優點也會消失，這叫消相干。這是一個非常嚴重的問題。如果把一個量子計算機制造出來，如何保持其相干性?這是科學家面臨的巨大挑戰。”郭光燦表示。

　　盡管量子計算機的制造難度巨大，但郭光燦對其成功仍有信心。“量子計算機雖然目前無法研制成功，但人們可以考慮制造一個過渡期的產品，如量子仿真機，也就是模擬機。”郭光燦說。

　　郭光燦帶領的課題組設立了一個近期目標，即把量子仿真機或者是模擬機研制出來，建立一個平臺，解決現在科學上的一些難題，如模擬超導機理等。

　　這應該是通向量子計算機的一個臺階，也是量子信息的發展趨勢。