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【科技日报】量子通信,可以高深但拒绝高冷
发布时间:2016-01-14 来源:科技日报 张盖伦 【字号:  

ag娱乐平台 www.bjljdf.com   抛弃宏观世界的一切“常识”,挣脱由传统经验构筑的枷锁,保持“脑洞大开”的状态,文科生也要“咬牙坚持”,相信我,这一次你会发现量子通信,原来如此!

  1月8日,2015年度国家自然科学奖一等奖被颁给了这样一个项目:“多光子纠缠及干涉度量”。该项目由中国科技大学潘建伟院士带队,彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵共同完成。

  奖项颁出后,各类科普文章纷纷出炉。简单来说,多光子纠缠及干涉度量就是根据量子物理原理提供的一种全新方式,对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作,并对光子、原子等微观粒子进行精确操纵,以确保通信安全和提升计算速度等方面可以突破经典信息技术的瓶颈。

  但是要真正理解这段话,并不容易。第一个问题就是,量子物理原理是什么?

  在推开神奇量子世界的大门前,你需要轻装上阵:抛弃掉你在宏观世界所获得的一切“常识”,挣脱掉那些由传统经验构筑的枷锁,保持“脑洞大开”的状态,并随时准备接受各种“这怎么可能?”

  然后,开始吧。

  第一站 波粒二象性——看与不看很重要

  量子,是能量的最小单位。中国科技大学近代物理教授陈宇翱说过,微观粒子都是量子,我们在初中化学书上接触过的原子、电子和光子,均属量子大家庭。可以说,整个世界,都是由量子组成的。不过,由于量子太小了,对绝大多数人来说,它是“最熟悉的陌生人”。

  微观粒子,有个神奇的属性,叫作波粒二象性。

  双缝干涉实验证实了这一点。想象一下,你手中有一台电子发射器,面前摆着一个开了两条缝隙的隔板,隔板后放置了一块屏幕。当你打出的电子足够多,屏幕上应该出现什么景象?

  如果电子是粒子,那么屏幕上应该出现两条条纹——电子随机选择穿过两条缝隙中的哪一条,并在屏幕上留下痕迹。然而,现实情况却是,屏幕上留下了明暗相间的多条“干涉条纹”。研究这些条纹的分布后,人们惊讶地发现,光子似乎在穿过缝隙时,具有某种“波”的特性。也就是说,它并非在两条缝隙中选择了一条穿过,而是以“波”的形式,同时穿过了两条缝隙,并且自己与自己发生了干涉——如果一条波的波峰恰好遇到另一条波的波谷,亮度刚好抵消掉,形成了屏幕上的“暗处”。

  但是,电子又明明白白展现出粒子的特性。当我们逐个发射电子时,你就会发现,电子穿过隔板缝隙后,会在感应屏上的某个位置打出一个亮点。只是它的分布符合干涉条纹的分布规律:落在亮区的概率高,落在暗区的概率低。

  为什么?科学家给出了一个大胆的解释:在撞上感应屏之前,无人干扰,电子确实以波的方式,穿过了两道狭缝;但一旦它撞上了感应屏,波函数立刻坍缩成为一个点。

  感应屏在这里,扮演了“观测者”的角色。换个说法——电子呈现出什么状态,取决于“观测”。

  观测很重要吗?左看右看上看下看,那个女孩都不简单啊?可是在微观的粒子世界,任何一种介入,都会对测量对象产生致命干扰。你永远无法得到一个粒子的全部信息——当你知道了它的位置,它的速度也因为你的“知道”而发生了改变——这也是鼎鼎有名的“不确定性”原理。

  第二站 量子纠缠——逆天的心灵感应

  带着一点朦胧的感悟,我们继续上路。

  叠加态,如同孙悟空的分身术。因为有着72分身,孙悟空可以同时既在此地,又在彼方。但是,如果唐僧想看清孙悟空究竟在哪里,这调皮美猴王的所有分身都会随机消失,只留下一个。

  讲到这里,量子纠缠的概念就该登场了:相互独立的粒子可以完全“纠缠”在一起,对其中一个粒子进行观测可以即时影响到其它粒子,无论它们之间的距离有多远。

  著名科学家爱因斯坦对此无法接受,称其为“幽灵般的超距作用”。

  要继续开始想象了:现在有一个大粒子衰变成了两个小粒子,它们俩关系不和,朝着相反的方向飞开去。假设这种粒子有两种可能的自旋——“左旋”和“右旋”。根据总体守恒,如果粒子A为左旋,那么B一定为右旋;反之亦然。

  可是,在我们没有对A和B进行观测之前,它们的状态都是不确定的,每个粒子都处于一种左/右可能性的叠加态。

  接下来,出现的就是连爱因斯坦都无法理解的一幕了——一旦我们观测粒子A,它的波函数瞬间坍缩,并随机选择了一种状态——比如说“左旋”;此时,尽管已经和A相距遥远,粒子B的状态也就瞬间确定了——它是“右旋”。

  就算这两粒子分别处于宇宙的两端,它们同样可以保持这样可怕的“默契”——一旦你随机选择了左,那我一定会选择右。任何所谓的心灵感应,都比不上“量子纠缠”来得深刻。

  第三站 量子隐形传态——一场“神奇变变变”

  终于,我们接下来要进入核心景点了——如果,我要在两个处于纠缠态的粒子之间通信呢?

  此时,我们制备出了处于量子纠缠状态的光子α和光子β,并且把α给了身在北京的甲,把β给了身在上海的乙。我们实际上想传递的东西,是光子γ。

  首先,我们让光子α和光子γ产生干涉,并记录下干涉结果;然后,甲需要用经典通信的方式,比如打电话、发短信、传电子邮件等,告诉乙这一结果。

  拿到结果之后,我们就可以期待一场“光子变身秀”了。乙会操作一种叫作波片的东西,把β变成γ。

  什么?这是什么意思?不要慌,可以这么理解:α和β处于纠缠态;所以当α和γ发生干涉时,γ和β也就自动具有某种关系了;甲告诉乙α和γ的干涉结果,其实是告诉乙,β和γ应该具有怎样的关系。于是,乙通过“反推”,就能将β变成γ。

  请注意,量子隐形传态,并没有真正传递出去了什么东西,而是一场“神奇变变变”。在这场“通信”中,α和β都是为了主角γ而牺牲的“炮灰”。最终目的,是让β成为γ,让乙能够获得有关γ的一些信息。

  但是,目前能用量子隐形传态传输的东西相当有限。获评2015年年度国际物理学领域十项重大突破之首的,是潘建伟和陆朝阳等人的科研项目“多自由度量子隐形传态”。这项工作的突破性,在于它首次传送了光子的两个性质——“自旋”和“轨道角动量”。

  真正的应用,确实任重道远。

  第四站 量子密钥分发——不可窃听,绝对安全

  不过,量子通信技术实用化的景点大门已经打开,率先走进去的,叫作“量子保密通信”。它与经典通信最为不同的地方在于,用量子的方式来传送密钥。

  潘建伟在2015年中国计算机大会上作过一次演讲。他表示,信息科学方面有信息安全的瓶颈:用芯片可能有后门,用光纤可能遭到无感窃听;就算我们把信息进行加密,但随着信息技术的发展,传统上认为难以破解的东西,可能成了窗户纸,一捅就破。

  不过,如果我们用量子的方式传送密码,就不存在这个问题了。

  中科大量子信息实验室博士赵义傅在接受媒体采访时介绍,量子密钥分配是把一个信息编码在一个光子上,一个光子有着不同的量子态,代表着0和1;把光子通过光纤发射过去,接收方接到密钥后进行解码。

  前面我们已经说过,一个量子的状态是未知的,根据“不确定性原理”,我们无法获得一个量子的所有状态信息,因此,量子也就无法被准确测量和精确复制;而量子不可能继续分割,窃听者也就不可能把它分成两半,一半拿走,一半传给运输方;更绝的是,在这一传输过程中,一旦有人窃听,微小的光子立刻就能做出反应——因为在量子尺度上,窃听者的存在感实在太强了!

  所以,量子保密通信的安全性,能够得到极大保证。如今,量子保密通信甚至被资本市场称为“下一个万亿蓝海”。

  现在,我们已经在量子通信世界游览了四个景点,鉴于脑细胞死伤无数,这段旅程也就告一段落。

  在宏观世界里,我国远距离量子通信骨干网“京沪干线”项目正在建设之中,预计将于2016年建成;同样是2016年,我国还将发射世界首颗量子卫星,预计完成三大任务:卫星和地面绝对安全量子密钥分发、验证空间贝尔不等式和实现地面与卫星之间隐形传态。

  下一次,再进入量子通信的世界,看点将越来越多了。本文部分资料参考自《上帝掷骰子吗》(作者:曹天元,辽宁教育出版社,2006年1月)

  (原载于《科技日报》 2016-01-14 05版)

(责任编辑:侯茜)
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