圖爲“墨子號”量子科學實驗衛星與阿裏量子隱形傳態實驗平台建立天地鏈路(合成照片)。
與會科學家認真聽取潘建偉院士發言。本報記者沈慧攝
繼對撞機、引力波之後，又一個“高冷”物理名詞——量子，近年來逐漸從幕後走向了台前。在科學家們眼中，這一撲朔迷離的量子究竟是何方神聖？它有哪些神奇絕技，又有何用
在近日舉行的兩院院士大會上，中國科學技術大學教授、中國科學院院士潘建偉帶來了一場有關量子的精彩介紹。
神奇的量子
量子是構成物質的最基本單元，由于具有相幹疊加特性，可以産生“量子糾纏”，因而與相對論一起，帶來了第二次科學革命
一旦確定了初始狀態，根據力學方程，所有粒子未來的運動狀態都是可以精確預言的——這是基于牛頓力學得出的結論。
“如果按照這個思路再往下思考，一切事件(比如今天的會議)都是在宇宙大爆炸時就已經確定好的嗎？個人的努力還有意義嗎？但人顯然是有自由意志的。”潘建偉引用霍金的一句話：即使是相信一切都是上天注定的人，在過馬路時也會左右看。
“所以，盡管我們對牛頓力學非常滿意，但對其中蘊含著的決定論，仍持有異議。”潘建偉說。
上世紀初，歸功于普朗克、愛因斯坦、玻爾、海森堡等衆多傑出科學家的共同努力，又一扇科學之門徐徐打開。到底是什麽改變了牛頓力學的基本觀念？其中一個就是量子力學。量子是構成物質的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。所有人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現形態。
根據經典物理學，一個客體的狀態(用0和1表示)就像最簡單的二進制開和關，只能處于開或者關中的某一個狀態，即要麽是0要麽是1，這就好比一只貓，要麽是生要麽是死，不能同時“又生又死”。但這一理論並不適用于量子世界。“比如在量子世界，一個氫原子的狀態，可以是激發態和基態的相幹疊加，可以0和1狀態同時共存。”潘建偉舉例。
這種所謂的量子相幹疊加正是量子世界與經典世界的根本區別，由此有了量子力學不確定原理：量子體系中一般情況下一個物理量的值並不能預先確定，而是依賴于采取何種測量基，進一步，對處于量子糾纏的兩個粒子，對其中一個粒子的測量結果會瞬間確定另一個粒子的狀態，不論它們相距多麽遙遠。這就是“量子糾纏”，愛因斯坦稱這個現象爲“幽靈般的超距作用”。
潘建偉打了個比方：一個代表團從北京到法蘭克福去訪問，如果在飛行途中睡著了，不知道是途經莫斯科還是新加坡，到北京時，他們會覺得“又冷又熱”，感覺好像同時穿越了兩條路線。但如果飛行途中一直睜著眼睛去看，或者有儀器測量，那麽檢測到的狀態是飛機只會處于一條航線上，代表團抵達北京時要麽感覺冷，要麽感覺熱。
“疊加原理認爲，一個量子客體可以處于不確定的狀態，也就是說在測量之前，連上帝都不知道，觀測者的行爲還可以影響體系的演化。這種顛覆性的認知和相對論一起，帶來了第二次科學革命，進而催生了新的産業變革。”潘建偉說。
安全的通信
利用量子相幹疊加原理所産生的量子保密通信，成功克服了經典加密技術的內在安全隱患，可以從根本上解決信息安全傳輸問題
從春秋時期的虎符到古希臘的加密棒，以及羅馬帝國凱撒大帝發明的字符移動加密術，再到二戰時出現的複雜密碼……人類追求信息安全的腳步從未停止。
爲確保被授權的用戶身份不被竊取，可以用加密算法進行身份認證；爲保證傳輸過程中信息不被竊聽，可以進行傳輸加密；爲保證傳輸內容不被篡改，可以用加密算法進行數字認證。某種意義上，現在的信息安全是建立在加密算法或者加密技術的基礎之上。
“然而，經典加密算法依賴于計算的複雜度，如果計算能力足夠強大，原則上都會被破解。人們早就懷疑‘以人類的才智無法構造人類自身不可破解的密碼’，這是目前經典加密算法面臨的困境。”潘建偉說。
幸運的是，量子力學的發展已經爲解決這一問題做好了准備。量子疊加的“分身術”，具有一個最爲直接的應用——就是廣受關注的量子保密通信。
潘建偉說，科學家們可以利用單光子來傳輸密鑰。如果有竊聽者想截取單光子，測量其狀態並發送，那麽，單光子就會從原有狀態“0+1”變成0或者1，通信中就會引入擾動並會被使用者察覺。當然，經典光通信中還有一種竊聽方法——截獲一部分光，讓其余部分繼續傳送，僅對截獲到的部分進行狀態測量獲取密鑰信息。但是，由于單光子不可分割，竊聽者不可能如同在經典光通信中那樣，把信號分成一模一樣的兩半，竊聽也由此失敗。
“量子通信克服了經典加密技術內在的安全隱患，因爲其安全性不依賴于計算複雜度，這是原理上無條件安全的一種通信方式，一旦存在竊聽必然被發現。”潘建偉稱。
單光子的不可分割性和量子態的不可複制性從原理上保證了信息的不可竊聽，再結合“一次一密”的加密方法，就可以實現信息的不可破解，從而確保了身份認證、傳輸加密以及數字認證等技術手段的無條件安全。
不過，要在現實條件下實現遠距離的量子通信，並非聽起來那麽簡單。量子信號因爲不能被複制，所以不能被放大，信號會隨著傳輸距離的拉長，變得越來越弱。比如，長度爲1200公裏的商用光纖中，即使有每秒百億發射率的理想單光子源和完美的探測器，也需要數百萬年才能傳送一個量子比特。這樣的傳輸速率顯然不適于遠距離傳輸。
怎麽辦？目前國際上公認有兩種可行的途徑：一種是利用中繼器進行分段傳輸，另一種是利用衛星中轉進行自由空間單光子傳輸，實現數千公裏甚至是全球化的量子通信。
2016年，隨著全球第一顆量子科學實驗衛星——墨子號發射成功，實現信息“絕對安全”的夢想又向前邁進了一步。“去年，千公裏級量子密鑰分發速率達到1kbps，比同距離光纖提高20個數量級；現在，每秒鍾可以穩定分發十萬個密鑰甚至幾十萬個密鑰。”潘建偉說。
可期的未來
潘建偉表示，以量子信息技術爲代表的第二次量子革命，一定會帶來人類社會物質文明的巨大進步
量子通信不是唯一應用。
大數據時代，人類對計算能力的需求與日俱增。然而，目前人類擁有的計算能力還相當有限。例如，集全世界計算能力的總和都無法在一年內完成對280個數據的窮舉搜索。與此同時，隨著晶體管的尺寸逐步接近納米級，晶體管的電路原理將不再適用。而通過超大規模處理器集成的超級計算機由于能耗驚人，也面臨著發展模式不可持續的難題。以AlphaGo爲例，下一盤圍棋需要消耗10噸煤産生的電量。
“利用量子相幹疊加原理，可以構造具有強大並行計算和模擬能力的量子計算機。”潘建偉說，量子計算機的計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長，一台操縱100個粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可達到目前全世界計算能力總和的100萬倍。利用萬億次經典計算機分解三百位大數大約需要15萬年，這正是目前廣泛使用的RSA公鑰密碼體系安全性的基石——現有計算能力無法在短時間內破解密碼，然而利用同樣工作頻率的量子計算機則只要一秒鍾。由此可見，一旦量子計算機研制成功，對現有密碼體系的沖擊將是崩潰性的。不過，量子力學在提供了破解密碼“最鋒利的矛”的同時，也爲我們提供了信息安全“最牢固的盾”——量子通信的安全性與計算能力無關，即使在量子計算機時代，照樣可以保障信息的無條件安全。
當然，量子計算機造出來還需時日。“屆時，量子計算可爲人工智能、密碼分析、氣象預報、石油勘探、基因分析、藥物設計等所需的大規模計算難題提供解決方案，並可揭示量子相變、高溫超導、量子霍爾效應等複雜物理機制。”潘建偉表示。
不僅如此，利用高精度的量子信息處理技術，還可對時間、位置、重力等物理信息實現超越經典技術極限的量子精密測量，大幅度提升衛星導航、激光制導、水下定位、醫學檢測和引力波探測等的准確性和精度。例如，利用目前最好的傳統自主導航技術，水下航行100天後，定位誤差達數十公裏，需要定期上浮使用衛星修正；而利用原子幹涉重力儀等高精度量子自主導航系統，水下定位航行能力可大幅提升，不需衛星修正就可實現長期自主導航。
“第一次量子革命已經在20世紀對我們的社會面貌和生活方式産生了巨大影響。可以預期，以量子信息技術爲代表的第二次量子革命也一定會帶來人類社會物質文明的巨大進步。”潘建偉說。(沈慧)
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