高 峰

量子科技可能改變未來(lái)的生活

高 峰

今年8月16日，我國(guó)成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空，人類將首次完成衛(wèi)星和地面之間的量子通信，標(biāo)志著我國(guó)空間科學(xué)研究又邁出重要一步。

量子衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌運(yùn)行，將有助于我國(guó)在量子通信技術(shù)實(shí)用化整體水平上保持和擴(kuò)大國(guó)際領(lǐng)先地位，實(shí)現(xiàn)國(guó)家信息安全和信息技術(shù)水平跨越式提升，有望推動(dòng)我國(guó)在量子科學(xué)前沿領(lǐng)域取得重大突破，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)空間科學(xué)衛(wèi)星系列可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本個(gè)體?？梢哉f(shuō)，整個(gè)世界都是由量子組成的。量子理論被稱為物理世界的百歲“幽靈”，連不少科學(xué)家都為其產(chǎn)生的神秘現(xiàn)象所迷惑，對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)自然更加高深。但若試著走近它，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)“幽靈”的魅力。

量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性——量子疊加原理和量子糾纏

量子疊加原理是說(shuō)量子有多個(gè)可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測(cè)或測(cè)量時(shí)，才會(huì)隨機(jī)地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對(duì)物質(zhì)的測(cè)量意味著擾動(dòng)，會(huì)改變被測(cè)量物質(zhì)的狀態(tài)。

這就好比孫悟空的分身術(shù)，一個(gè)孫悟空同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方，孫悟空的各個(gè)分身就像是他的疊加態(tài)。在日常生活中，我不可能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，但在量子世界里，作為一個(gè)微觀的客體，它同時(shí)出現(xiàn)在許多地方。

所謂量子糾纏則是兩個(gè)糾纏在一起的量子就像有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩個(gè)人的距離有多遠(yuǎn)，當(dāng)哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化。如果這兩個(gè)光量子呈糾纏態(tài)的話，哪怕是千公里量級(jí)或者更遠(yuǎn)的距離，還是會(huì)出現(xiàn)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)。

兩個(gè)處于糾纏狀態(tài)的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，都能“感應(yīng)”對(duì)方狀態(tài)，愛(ài)因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”?？茖W(xué)家可以利用這種效應(yīng)將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來(lái)。

隨著這兩種特性被不斷認(rèn)識(shí)量子通信等應(yīng)用新技術(shù)被逐漸開(kāi)拓出來(lái)

以往用以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)技術(shù)傳遞信息極易遭遇竊聽(tīng)，但通過(guò)把量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，利用量子調(diào)控技術(shù)，能夠用一種革命性的方式對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運(yùn)算速度、提升測(cè)量精度等方面突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸，這就是量子通信。

量子保密通信就好比一個(gè)人想要傳遞秘密給另外一個(gè)人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開(kāi)箱子，才能取到秘密。沒(méi)有這把鑰匙，別人無(wú)法打開(kāi)箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動(dòng)過(guò)，傳送者會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。

為何鑰匙被別人一碰，就能立刻被知曉呢？因?yàn)榭茖W(xué)家利用了上面提到過(guò)的量子有多個(gè)疊加態(tài)的原理，用量子作為密鑰。這樣一來(lái)，一旦有人試圖截獲或測(cè)試量子密鑰，就會(huì)改變量子狀態(tài)，科學(xué)家便能立刻從改變中發(fā)現(xiàn)有人動(dòng)了鑰匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的通信方式。

為何要發(fā)射量子衛(wèi)星？受制于光纖不能放大量子通信信號(hào)的問(wèn)題，導(dǎo)致了在遠(yuǎn)距離上信息傳遞效率很低，令科學(xué)家們一籌莫展。雖然通過(guò)量子中繼手段，即分成若干段傳輸來(lái)降低每一段的損耗，但走向?qū)嶋H應(yīng)用還需時(shí)日。后來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，真空里不會(huì)有光的損耗，想要實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。

通過(guò)發(fā)射衛(wèi)星，去除干擾因素，就可以實(shí)現(xiàn)幾千公里的量子通信。有了量子衛(wèi)星，還可以在宏觀距離上檢驗(yàn)所謂的量子力學(xué)的非局域性，也就是“幽靈般的超距作用”。看看在實(shí)驗(yàn)室里不斷被重復(fù)檢驗(yàn)的理論，放在太空是否還能實(shí)現(xiàn)。

量子通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用將對(duì)人類社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響

大規(guī)模推廣量子通信應(yīng)用后，將極大提高人們信息傳輸?shù)乃矫苄院桶踩浴＝ê谩傲孔踊ヂ?lián)網(wǎng)”后，人們不用再擔(dān)心任何信息泄露，從而避免惡意攻擊和欺詐行為。

量子保密通信能夠從三個(gè)方面保障信息安全。第一，發(fā)送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會(huì)被竊聽(tīng)或盜取。第二，“主仆”身份能夠自動(dòng)確認(rèn)，只有主人才能夠使喚“仆人”，而其他人無(wú)法指揮“仆人”。第三，一旦發(fā)送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會(huì)立刻知曉，從而重新發(fā)送和接收指令。

比如，將來(lái)可以在手機(jī)中植入量子加密芯片，用來(lái)接收并存儲(chǔ)密鑰。人們只需要每天在家里，將手機(jī)和量子密鑰分發(fā)機(jī)連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)保密通信。走到這一步，還需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，制定通信標(biāo)準(zhǔn)等，10年至15年，有望實(shí)現(xiàn)。

得益于這種絕對(duì)安全性，量子通信不僅應(yīng)用于百姓日常通信，也可用于水、電、煤氣等能源供給和民生網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的通信保障，還可應(yīng)用于國(guó)防、金融、商業(yè)等領(lǐng)域，勢(shì)必對(duì)產(chǎn)業(yè)界和科技界產(chǎn)生巨大的變革。

由于量子技術(shù)的巨大前景，美國(guó)、日本等大國(guó)也在積極研究，中國(guó)起步較晚，2011年才啟動(dòng)了量子衛(wèi)星研制計(jì)劃。“墨子號(hào)”成功發(fā)射后，中國(guó)還將陸續(xù)發(fā)射多顆量子衛(wèi)星，并計(jì)劃在2030年左右建成全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)。

中國(guó)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程首席科學(xué)家潘建偉表示，量子通信技術(shù)將在未來(lái)5至10年，應(yīng)用在國(guó)防、軍事和金融領(lǐng)域，15年后將走進(jìn)千家萬(wàn)戶。屆時(shí)，人們?cè)谑褂秒娮酉M(fèi)時(shí)，都不必再擔(dān)心各種網(wǎng)絡(luò)攻擊。

這種安全的量子通信在國(guó)防、軍事、金融等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。專家預(yù)測(cè)，量子通信技術(shù)可能在20 至30年后對(duì)人類社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響。

目前，國(guó)際上還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)送入空間，量子衛(wèi)星的研制沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)可循?！度A爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道稱，中國(guó)在自然科學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)趕上甚至超越西方。（中國(guó)城市經(jīng)濟(jì)文化研究會(huì)）