霍光

 

“嗖”地一聲，整個人被傳送到千里之外;遠隔千里，毫無延遲地快速通信;大量千年無解數學難題分分鐘內得到破解……

 

搭上政協會議的東風，“量子”火了一把。

 

據新華網報道，政協委員、中科大副校長潘建偉透露，中國正在北京與上海之間加緊建設世界最長量子保密通信骨干網絡工程——“京滬干線”，并實施戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”工程。

 

一石激起千層浪，人們的好奇心和想象力被激發，甚至出現了“瞬間傳送”、“超光速”等“激動人心”的展望。

 

不過，事實會讓很多人失望。是否能夠實現“超光速”傳播和“瞬間傳送”，目前學術界還存在爭議，相當長的一段時間內還只是幻想。

 

那么，到底走近我們的“量子”能做什么呢?

 

量子再引人注目

 

量子上一次引發人們的普遍關注，是在2012年。2012年諾貝爾物理學獎授予了法國物理學家塞爾日·阿羅什(SergeHaroche)和美國物理學家戴維·瓦恩蘭(DavidJ.Wineland)。隨后，諾爾馬克闡述了“突破性的實驗方法使得測量和操縱單個量子系統成為可能”的獲獎理由。

 

量子究竟有哪些奇妙之處呢?

 

量子此次被關注，是量子糾纏的奇妙特性。量子糾纏，是指成對出現的量子之間的“心靈感應”。如果強行將兩者拆散，兩者狀態依然是不確定的，但通過外界觀測其中一個，將其參數固定，另一個會“感應”到這一變化，也固定下來。就像裝在黑袋子里的兩個小球，每時每刻都在紅綠兩種顏色中變化，但你從黑袋子里掏出一個小球，發現它是紅色的，那么另一個小球就會自動變成綠色。這種特性就是量子通信的基礎。

 

在量子這一領域，中國學術界，尤其是潘建偉領導的研究小組，是不可忽視的一股力量。

 

據媒體報道，2004年,中科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間實現更遠距離的量子通信。2005年，該小組在合肥創造了13公里的自由空間雙向量子糾纏分發世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發糾纏光子的可行性。2007年開始,中國科大—清華大學聯合小組在北京八達嶺與河北懷來之間架設長達16公里的自由空間量子信道，最終在2009年成功實現了世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，證實了量子態隱形傳輸穿越大氣層的可行性。2010年，該聯合小組成功實現了當時世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，16公里的傳輸距離比原世界紀錄提高了20多倍。

 

到今年為止，這些突破更多是在學術界引起反響。而潘建偉所透露出來的信息，讓人們似乎感到“量子”已經來到我們身邊。

 

不過，量子究竟能給我們帶來什么，很多人仍然迷茫不清。

 

量子通信：安全性提升更為明顯

 

量子糾纏并不受光速的影響，這讓很多人希望通過量子通信解決通信延遲問題。

 

打過越洋電話的人，如果比較敏感，會察覺通話過程中些微的延遲。這種延遲更多是由于途經的各種路由設備所造成。但事實上，現階段還不能實現。

 

量子通信，是將處于量子糾纏狀態的一對量子置于兩地，在一地通過觀測等手段確定量子狀態之后，另一地會同時發現量子狀態的變化。即使兩個量子遠隔幾光年，這種“心靈感應”無需時間。那么，量子通信是否能突破延遲的限制呢?

 

這一目標目前還不能實現。單是量子狀態的改變，并不能確定信息的內容，還需要知道另一端的觀測手段，才能反推出信息的內容。因而，必須用常規通信方式將“觀測手段”發送給收信方。

 

打個比方，量子就像一個帶有自毀裝置的密碼箱，密碼箱用飛機送到你手里，你收到了箱子卻看不到箱子里的內容，必須要等待只能用火車送過來的密碼。那么，你看到信息的速度依然受限于火車而不是飛機。這就限制了“超光速”傳遞信息的可能性。

 

那么，量子通信的好處在哪里?

 

最大的好處就是更高的安全性。由于對量子的任何外界擾動都會使其狀態發生變化，而其“心靈感應”又不需要傳送過程，因而，在發送量子過程中、確定量子狀態過程中，都無法通過外力“監聽”，即使“監聽”，也會馬上被通信者發現。就像你的密碼箱，如果別人接觸就會自毀，你會馬上發現;如果別人不接觸密碼箱，截獲了密碼依然無法得知箱子中的內容。

 

目前，各個國家都在嘗試量子通信。1997年，科學家首次用一對糾纏光子實現了量子信息傳輸。潘建偉曾在一次公開講話中介紹到，國際上很多科研小組都在量子通信方面進行研究，2007年，美國的小組和中國的小組都利用光線達到100公里、200公里的傳輸距離。2008年，我國在合肥開始構建全量子通信的網絡，當時歐洲也在嘗試構建這樣的網絡;2010年，日本也構建了量子通信網絡。潘建偉透露，2016年，我國的第一顆量子通信衛星將升空。

 

另一方面，潘建偉還提到，量子通信不僅能傳輸信息，由于其攜帶的信息完整，可以異地復制原子的狀態，大量的原子狀態傳遞，就可以復制出一個相同的物體。他打比方說，相當于在異地忘了帶鑰匙，讓遠方的同事發送過來鑰匙的模型，就可以在異地復制出一把一模一樣的鑰匙。2010年，中科大—清華大學聯合小組成功實現了當時世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，傳輸距離達16公里。

 

不過，目前的技術水平一次能夠復制的原子還很少。由于一把鑰匙蘊含的原子數目過于巨大，全部信息的傳遞需要以萬年計算的單位來完成，對真實物體的傳送或者說復制，短期內尚不能實現。

 

量子計算：破解宇宙的奧秘

 

與量子傳輸相同，量子計算也是目前研究者們不斷探索的領域。

 

量子計算機中的每個數據由不同粒子的量子狀態決定，所以計算時采用的量子數據位在同一時間內能夠呈現出多種狀態——既可以是1也可以是0，傳統計算機在運算中采用的傳統數據位在特定時間內只能代表一個狀態——1或者0。這使得，傳統計算機操作一個n位數據的同時，量子計算機可以操作2的n次方量級的數據。這有點像那個知名的故事：一個國王要賞賜國際象棋的發明者，發明者提出，要在棋盤第一格放置1粒小麥，第二格放置2粒，依此類推，放滿64格棋盤。一個64位量子計算機與傳統計算機的計算能力，理論極限正如棋盤與麥粒總數的比較。

 

量子計算機的驚人潛力也吸引了眾多參與者。谷歌和NASA(美國國家航空航天局)一起，對由D-Wave制造的量子計算機進行了聯合投資。在可商用的量子計算機前進路徑上，總部位于加拿大的D-Wave公司雖然飽受質疑，卻是走得最快的一個。據報道，其成功售出2臺D-Wave2計算機，單臺價值超過1000萬美元。

 

2013年，AmherstCollege的計算機科學家進行了一次量子計算機與普通電腦之間的較量。實驗室用的量子計算機正是D-Wave2，包含439個量子位。D-Wave的芯片運轉時需要被冷卻到接近絕對零度的溫度(0.02K,-273.13C)，同時由于量子位的不確定性，每一個計算都需要進行上千次以確保其精確性。結果表明，D-Wave的硬件異常強大，比普通的軟件計算速度快4000倍，不過其價格是其對手的6666倍。另外，其在某些項目中表現突出，甚至可以達到10000倍，而在某些項目中與傳統計算機相差不大。

 

一位科學界人士向記者表示，在某些算法上，量子計算機帶來的提升是“非線性”的，正如棋盤和麥粒的故事;而在某些算法中，量子計算機沒有這么突出的表現。“不過，其仍然會有線性提升，例如幾百或上千倍，但無法達到幾十萬倍的驚人速度。”

 

讓人擔憂的是，在量子計算機能夠“非線性提升”的某些算法中，有些會動搖目前數據世界的根基。例如，對質因數的分解。

 

2012年，加州大學圣巴巴拉分校(UCSB)的一組研究人員宣布其已經設計并制造出一臺量子處理器，能夠將一個合數，如15——分解成其質因子，3和5。

 

研究者埃里克·盧塞羅(ErikLucero)稱，大數質因子分解是網絡安全協議的核心，如最常見的RSA加密。他說道：“任何時候你發送一個安全的傳輸數據——如你的信用卡信息，你所依賴的安全性都基于一個事實，即確實很難找到大數的質因子。”

 

 

他進一步解釋說，利用傳統計算機和廣為人知的經典算法對RSA實驗室公布的最大的數(包含超過600個十進制位數)進行質因子分解，需要的時間長達幾百億年，比宇宙的年齡還長。但是量子計算機可以將用時縮減到幾十分鐘。“量子計算機解決這個問題比傳統計算機快得多，用時相差15個數量級。”盧塞羅稱，“這將產生極為廣泛的影響。量子計算機將從多方面顛覆游戲規則，其中必然包括計算機安全。”

 

不過，量子計算機帶來的未來更為吸引人。眾所周知，計算機技術在解決很多數學難題的過程中功不可沒，而科學家也希望量子計算機能夠解決更多數學難題。這些又將改變我們的生活。

 

目前，量子計算機給人們的印象不過類似于一個玩具，只是口中的談資，但是在不久的將來，它將引領計算機世界的潮流。