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量子糾纏記

2019-12-16 人民日報海外版
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“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。

全球首個規模化量子網絡:合肥城域量子通信試驗示範網概貌

  可能很多人都有過類似的經曆:當一個人想起另一個人的時候,對方卻能同時感覺到;突然感覺到有人要給自己打電話,結果電話很快就響了……

  我們通常稱之爲“心靈感應”,兩個人之間瞬間的信息傳遞就是如此微妙,只是長期以來,我們要麽認爲純屬巧合,要麽幹脆斥之爲迷信、僞科學。

  生活中的許多現象和奧秘,人類暫時還無法解釋。好在,科學對一切未知的東西,並不輕易否定。

  20世紀量子理論的出現,顛覆了人類對微觀世界的很多看法。特別是量子糾纏理論的實驗驗證:具有糾纏態的兩個粒子無論相距多遠,只要一個狀態發生變化,另外一個也會瞬間發生變化——這不就非常類似于“心靈感應”麽?!

  當然,這個實驗不是爲“心靈感應”做驗證。但基于量子糾纏理論的量子通信,解決了人類保密通信的巨大難題。

  2016年8月,中國成功發射“墨子號”量子科學實驗衛星。作爲航天大國,中國幾乎每年都會成功發射幾顆衛星,這次雖然不會再像當年發射第一顆人造衛星“東方紅一號”那樣,出現舉國歡慶的激動與興奮,但在國際上仍然引起很大轟動。

  “墨子號”是世界首顆量子科學實驗衛星。國際權威學術期刊《自然》曾評價,“國際同行們正在努力追趕中國,中國現在顯然是衛星量子通信的世界領導者。”

  量子通信是迄今唯一安全性得到嚴格證明的通信方式。

  對保密通信的需求自古就有,且無處不在。大至國家安全、商業秘密,小至個人隱私,都無一例外地與此息息相關。

  中學課本中有一篇大家熟知的課文《信陵君竊符救趙》,出自《史記·魏公子列傳》,講述魏公子信陵君盜魏王虎符、絞殺晉鄙、卻秦存趙的故事,其中解決問題的死結,即中國古代的身份驗證工具——虎符。

  在中國古代,虎符乃兵甲之符,是古代皇帝授予將臣兵權和調兵遣將的信物。“虎符”分爲左右兩半,需調兵時,由朝廷使者持右半符前往,軍隊長官將右半符與左半符驗合後,軍隊即按使者傳達的命令行動。

  古希臘斯巴達人使用的密碼棒,也許是人類最早使用的文字加密解密工具:把長帶子狀羊皮紙纏繞在圓木棒上,然後在上面寫字;解下羊皮紙後,上面只有雜亂無章的字符,只有再次以同樣的方式纏繞到同樣粗細的圓木棒上,才能看出所寫的內容。

  保密和竊密,自始至終糾纏不已。爲了保密,人類不得不在加密技術上不斷探索創新。從用紙筆或簡單機械實現加解密的“古典秘法體制”,到莫爾斯發明電報實現加解密的“近代密碼體制”,再到以電子密碼催生的“現代密碼體制”,不斷攀升。

  保密與竊密的攻防雙方,基本都是在加密、破譯的反複之中循環著。雖然機關算盡,但要確保保密通信萬無一失,仍需絞盡腦汁。

  現代密碼體制中,無論是對稱密碼體制還是非對稱密碼體制,其安全性都是基于數學的複雜性,與計算機的計算能力相關聯。上世紀90年代,隨著量子算法的提出,人們意識到,量子計算機在並行運算上的強大能力,使它能快速完成經典計算機無法完成的計算,一旦研制成功,將對現行所有密碼體制造成嚴重威脅。這話聽起來不免讓人膽戰心驚。但量子保密通信技術,讓人類看到了“永不泄密”的曙光,可以做到不可竊聽、不可破譯。

  神奇的是,量子通信具備有“反竊聽”功能。利用光子的量子態作爲密鑰本身的載體,收發雙方通過量子測量的方法,能夠檢測出這些光子在傳輸過程中是否遭到了竊聽者的竊聽。

  除了量子保密通信外,量子通信中還有另一種應用方式,即量子隱形傳態。量子隱形傳態是利用已分發的量子糾纏,把粒子的量子狀態傳送至遙遠距離。在量子糾纏的幫助下,待傳輸的量子態在一個地方神秘地消失,不需要任何載體的攜帶,以光速又在另一個地方神秘地出現,而且不是巧合。

  《西遊記》中的神仙、妖怪經常玩“失蹤”,孫悟空一個跟頭就能翻出去十萬八千裏,現代科幻小說中描寫的“星際穿越”,以及武俠小說中的“乾坤大挪移”,過去都只當是科學幻想。現在看來,這些不是不可行,而是有可能。

  量子通信因其安全性和廣闊的應用前景,很快成爲國際上量子物理和密碼學的研究熱點,受到各國政府和相關研究機構的廣泛關注。

  1992年,美國和加拿大的科學家首次實現了世界上第一個量子密鑰分發,傳輸距離32厘米,由此拉開了量子通信實驗研究的序幕。如何大幅度提高量子保密通信的距離,成爲重要研究方向,各國科研機構都競相在這一領域發力。

  1997年,奧地利蔡林格小組在室內首次完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證;2004年,該小組利用多瑙河底的光纖信道,成功地將量子隱形傳態距離提高到了600米。

  正是在這個時候,潘建偉和他的研究團隊,開始走進人們的視野。一系列驕人的研究成果,不斷給人們帶來驚喜。

  1996年,从中國科學技術大學毕业的潘建伟,赴奥地利因斯布鲁克大学留学,师从量子实验研究的著名学者安东·蔡林格教授。1997年,还是博士研究生的潘建伟以第二作者身份发表了题为《实验量子隐形传态》的論文。这个实验,被公认为量子信息实验领域的开山之作。该論文与“爱因斯坦建立相对论”等划时代的論文一同被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典論文”。

  潘建伟1999年博士毕业的时候,国内的量子信息研究还处于刚刚起步的阶段。2001年,潘建伟在中國科學技術大學组建量子物理与量子信息实验室,经过10多年的努力,带出了一支声震国际的量子“梦之队”。

  从32厘米到100公里,时间用了不到20年,却打开了量子通信走向应用的大门。2006年夏,潘建伟小组和美国洛斯阿拉莫斯國家實驗室—欧洲慕尼黑大学—维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案,同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验。

  由潘建偉任首席科學家的“墨子號”量子科學實驗衛星成功發射後不到一年,2017年9月,世界首條1000公裏級量子保密通信幹線——“京滬幹線”正式開通。利用量子“京滬幹線”與“墨子號”量子衛星的天地鏈路,中科院與奧地利科學院進行了人類曆史上第一次洲際量子保密通信視頻通話。

  2019年8月15日,国际权威学术期刊《物理评论快报》报道,中國科學家潘建伟研究团队在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态。美国物理学会等发表评论称,这一成果为发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础,是量子通信领域的一个里程碑。

  值得一提的是,2017年5月3日,潘建偉團隊宣布,利用高品質量子點單光子源,構建了世界首台針對特定問題的計算能力超越早期經典計算機的光量子計算原型機。這意味著,量子計算的技術發展相當迅猛,誕生可以破解經典密碼的量子計算機,也許並不遙遠。

  潘建偉說:“我們正處在一個不斷實現和超越夢想的光榮時代。”這種信心和情懷,讓人敬佩,令人期待。

  道高一尺,魔高一丈。科學發展到今天,人類看到的世界,僅僅是整個世界的一小部分。人類未知的世界,多到難以想象。現在也許可以說,量子保密通信能做到“永不泄密”,但在未來呢?

  大膽假設,小心求證。探求未知的夢想,才是人類前進的動力。科學正是在不斷懷疑、假設、證實、否定中不斷發展的。

  應該向那些執著于探知未來的人們致敬。古往今來,正是因爲有了他們,如潘建偉團隊那樣,始終锲而不舍地在與“量子們”的“糾纏”中,追逐夢想,揭示世界奧秘,展現神奇力量,才能讓人類不斷拓展所能認知的更廣闊疆域,奔向原本以爲遙不可及的遠方。

  (圖片由安徽省新聞辦提供)

打印 責任編輯:侯茜

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