袁岚峰：理解量子通信，从明白除法比乘法难开始

2016年8月16日，中国最轰动的新闻无疑是世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射。在技术层面，量子通信是什么，为什么能实现物理原理层面的保密，量子卫星要做哪些实验，已经有许多文章做了解释，包括我也刚刚接受了《环球时报》的采访，这里就不再多谈。本文打算采取宏观的视角，从上往下看，升得越来越高，揭示量子卫星背后一重一重的大图景。

第一重大图景，人们为什么需要量子通信？如果传统的保密方式足够可靠，那么实际上是用不着这种“绝对保密”的通信方式的。但现在的趋势正是，传统的保密方式将要失效，原因是量子通信的兄弟学科——量子计算。量子信息是量子力学和信息科学的交叉科学，量子通信和量子计算是它的两个分支。

目前最常用的保密算法叫做RSA公钥加密算法，以三位发明者的姓氏首字母命名。上小学时，我们发现乘法很容易，而它的逆操作除法要难得多。数学中很多操作具有类似的“易守难攻”的特点。找两个质数，把它们乘起来得到一个合数，很容易，但反过来，给你一个合数，把它分解成两个质数，就非常困难。用计算机科学的语言说，因数分解的计算量是指数增长的。用现有的计算机分解一个5000位的数字，需要50亿年!RSA算法就是以因数分解的困难性为基础的。

但是偏偏量子计算机有一个分解因数的聪明的算法，能够把计算量从指数增长降低到多项式增长。这意味着什么呢？分解一个5000位的数字，将只需要2分钟!因此，量子计算一旦实用化，现有的绝大多数密码就会失效。在这个意义上，量子计算是最强的矛，量子通信是最强的盾。以子之矛攻子之盾，孰胜？盾胜!因为量子通信的保密不是基于数学的困难性，而是基于物理原理，层次更高。

对密码员来说，好消息是量子计算离实用还很远。但量子计算必然会不断进步，中美等国都非常重视。8月11日央视新闻报道了中国科学技术大学郭光灿院士实验室研发的半导体量子芯片，就是量子计算的重要进展。随着矛的进步，对盾的需求必然会水涨船高。量子通信和量子计算具有这种相辅相成的关系，这是量子信息学科发展的大图景。

第二重大图景，量子通信对中国的经济有什么意义？在我看来，最显著的特点是，量子通信是近代以来中国第一次创造新的产业。我们在许多产业已经做到了世界第一，如高铁、通信、超算，但这些产业都是别国创造的，我们是在别人的框架里后来居上。只有量子通信，是我们第一个实现产业化，历史意义十分重大。

量子通信什么时候能够进入民用市场，取决于很多技术因素，很难精确预测。潘建伟院士在2016年的两会上表示：“希望通过10年左右的努力，将来每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为，都能够享受到量子通信的安全保障。”这只是一种估计。但在民用之前，仅看在军事、政治上的战略意义，作为对中国经济隐性的保驾护航，就已经十分重大。这是量子通信产业的大图景。

第三重大图景，量子卫星对中国科学发展的路径有什么启示？需要注意，中国在量子通信领域的先进，集中在实验与工程层面，实现的大多是别人的理论框架，在理论层面还是落后很多的。作为一个后发国家，这已经殊为不易，其实反映了实验相对易于赶超的性质。

量子卫星是一个独一无二的国际实验平台，将用来做很多量子科学实验。我们掌握了实验机会的制高点，中国科学家如果有好的理论框架，就可以优先来做实验。这样可能会形成良性循环，产生一种工程技术逆袭理论研究的发展模式。同时，我们应该大力鼓励原创性理论研究，投入更多的人力物力，提出自己的理论框架。这不只适用于量子信息，也适用于高能物理，适用于生物学，适用于一切学科。这是科学发展路径的大图景。

第四重大图景，如何看待中国在量子通信领域的领先？一件令人哭笑不得的事是，当中国落后时，许多人抱怨中国没有创新，而当中国领先时，这些人又会问：为什么美国欧洲不做？是不是这条技术路线不成熟，或者压根就是伪科学？不少人真的在以这种理由论证量子通信是伪科学呢。好，现在美国欧洲看到中国进步神速，也在大幅增加对量子信息研究的投资，这些人又该说什么呢？

没创新时喊着要创新，创新出现了又不承认，这是典型的失败者思维方式。要抱怨，永远都可以找到可抱怨的地方，为什么都不做找到借口。但要做成事，重要的不是找借口，而是积极主动地去做，要敢为天下先。潘建伟早在2003年就初步构想了量子科学实验卫星计划，然后采用种种方法组织团队、提高能力、争取支持，可见是真正的帅才。用毛主席的话说，要敢于胜利，善于胜利。中国在农业社会太久，太多人以四平八稳随大流为美德，这种文化在现代是不利于创新的。现代社会，创新是进步的根本。创新不只是科研人员的事，全社会民众都应该参与进来，建立推崇创新、奋发有为的文化。这是创新文化的大图景。

第五重大图景，量子卫星为什么以墨子命名？墨子是中国古代圣贤中科学素养最高的，在形式逻辑、数学、力学和光学等领域都有杰出成就。用他命名量子卫星，体现出我们对中国科学传统的温情与敬意。

然而我们必须遗憾地指出，墨子的科学传统并没有发扬光大，在历史的大部分时期是湮没无闻的。是西方现代科学传入之后，我们回头看，才认识到墨子的卓尔不群。中国科学史研究中的很多成果，都是这样产生的。中国为什么没有发展出现代科学？黄仁宇经常引李约瑟的一句话：中国人在有一个牛顿式的宇宙观之前，先有了一个爱因斯坦式的宇宙观。这是一句俏皮话，意思是中国人太喜欢谈事物之间的普遍联系，循名责实、严谨分析的基本功却还十分缺乏，结果沦为空谈。这个历史教训十分沉重，需要铭记在心。这是中国历史的大图景。

已往不可谏，来者犹可追。我们应该尊崇先哲的成就，但不躺在上面睡觉。我们也应该了解中国古代落后的原因，但不陷入文化宿命论。正如前面所说，重要的不是找借口，而是积极主动地去做。现在一切条件都远胜从前，只要有自觉性，什么能阻止中国人民为天下先呢？

墨子重光，卫星上天，抚今追昔，前景无限。愿这大时代，点亮你心中的激情!

作者简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，中国科学技术大学科技与战略风云学会会长