量子糾纏示意圖
8月16日凌晨，我國成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子”，探索衛(wèi)星與地面之間的量子通信，有望研發(fā)出絕對安全的新一代密碼技術(shù)。
如果把量子通信比作成“堅固盾牌”，那么量子計算機(jī)就是“利劍長矛”。破解全世界最強(qiáng)的加密軟件，超級計算機(jī)需要約100萬年，而量子計算機(jī)可能只需要一個小時。日前，中國科技大學(xué)科研團(tuán)隊成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲，并在世界上首次制備并測量了600對呈現(xiàn)糾纏狀態(tài)的量子，邁出了量子計算技術(shù)發(fā)展的重要一步。
在國家“十三五”規(guī)劃綱要中，量子通信與量子計算機(jī)同時被列入國家科技創(chuàng)新2030重大科技項目。那么究竟什么是量子？它跟量子通信、量子計算機(jī)又有什么關(guān)系？讓我們一起走進(jìn)“矛盾”的量子世界，探尋其中的奧秘。
□河北日報記者 陳 誠
無所不在的量子“精靈”
什么是“量子”？它與原子、電子、中子這些客觀存在的粒子一樣，也是某一種物質(zhì)實體嗎？
答案是否定的。
“它不是一種粒子，而是能量的最小單位，是能量的最基本攜帶者。”河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院教授白彥魁說，人們所熟知的分子、原子、電子、光子等在內(nèi)的微觀粒子都是量子的表現(xiàn)形式。
既然世界是由微觀粒子組成的，從某種意義上來說，世界本身就是由無所不在的量子組成的。打開腦洞，想象一下，我們每個人就是一個龐大量子的集合，舉手投足間，一次呼吸就包含著上萬億的量子在移動。
“在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)的能量是連續(xù)變化的，可以取任意值。”白彥魁說，而在量子物理學(xué)中，物質(zhì)或者說微觀粒子的能量傾向于不連續(xù)的變化。以光為例，我們說一個“光量子”，是因為一個光量子的能量是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一個一個變化的。
其他的粒子情況也是類似的。比如，在沒有被電離的原子中，繞核運(yùn)動的電子的能量是“量子化”的，也就是說電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣，原子才能穩(wěn)定存在，我們才能解釋原子輻射的不連續(xù)光譜。實際上在量子物理學(xué)中，所有的物理量的值都是不連續(xù)地、離散地變化。
1900年12月14日，在德國物理學(xué)會上，德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克宣讀了一篇論文，提出了能量子概念，把量子這個“精靈”引進(jìn)了物理學(xué)。這一天被認(rèn)為是量子力學(xué)的誕生之日。
盡管普朗克最早猜測到微觀粒子的能量可能是不連續(xù)的，但是要堅持這個觀點(diǎn)，就意味著背叛經(jīng)典物理學(xué)。作為一名傳統(tǒng)而保守的物理學(xué)家，他認(rèn)為自己制造的量子“精靈”破壞了物理學(xué)的完美，一度對自己的發(fā)現(xiàn)表示苦惱。
然而，大量的實驗事實讓物理學(xué)界不得不接受事實。1905年，愛因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過程，提出“光量子”的概念；1913年，玻爾提出了量子化的原子結(jié)構(gòu)理論；1926年，薛定諤建立了薛定諤方程……量子理論在短時間內(nèi)得以迅速發(fā)展，作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，為從微觀層面理解宏觀現(xiàn)象提供了理論基礎(chǔ)。
幽靈般的量子糾纏
被物理學(xué)家稱為“精靈”的量子并非浪得虛名，其自帶的兩大“絕技”困擾了全世界的物理學(xué)家。
量子“精靈”的第一個絕技叫“量子糾纏”。在量子世界里存在著一種類似“心電感應(yīng)”的現(xiàn)象，比方說，兩張相距千里的紙張，當(dāng)你在其中一張紙上書寫的時候，另一張紙會立刻呈現(xiàn)出你所書寫的信息，就像是雙胞胎的心靈感應(yīng)。
“在微觀世界，如果兩個粒子之間存在著糾纏關(guān)系，則不管它們相距多遠(yuǎn)，只要一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子狀態(tài)也會發(fā)生相應(yīng)變化�！卑讖┛榻B說。
愛因斯坦將這種現(xiàn)象稱為“幽靈般的超距作用”。量子究竟為何會有這樣的“絕技”？科學(xué)家們至今都無法破解。
盡管量子糾纏的原理尚未可知，但是我們卻可以利用這一現(xiàn)象作為安全通信的手段。
量子糾纏的發(fā)現(xiàn)，為量子隱形傳輸提供了可能。通俗來講，量子隱形傳輸是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。量子力學(xué)表明，處于糾纏態(tài)的兩個光量子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個發(fā)生變化，另外一個也會瞬間發(fā)生變化。
“量子保密通信可以利用這個特性實現(xiàn)，即基于量子糾纏態(tài)的理論，通過量子密鑰傳輸和量子隱形傳態(tài)的方式實現(xiàn)信息的安全傳遞。”白彥魁說，傳統(tǒng)的通信加密和傳輸安全依賴于復(fù)雜的算法，但只要竊聽者的計算能力足夠強(qiáng)大，再復(fù)雜的保密算法都可能被破解。
專家解釋說，量子通信基于光量子不可分割、不可復(fù)制的特性，傳輸時光子就無法被準(zhǔn)確測量和精確復(fù)制，竊聽者也就不可能把它分成兩半，一半竊走，一半繼續(xù)傳給接收方。更奇妙的是，量子密鑰一旦被測量截獲，其自身狀態(tài)會立刻發(fā)生改變，截獲量子密鑰的人只能得到無效信息，而信息的合法接收者也能立刻察覺，直到一把新的密鑰安全無誤地被接收。
2009年，中國的科學(xué)團(tuán)隊成功實現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)，證實了量子隱形傳態(tài)過程穿越大氣層的可行性。
2012年8月，中國科技大學(xué)的潘建偉等人在國際上首次成功實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通信衛(wèi)星”奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
如今，我國研發(fā)的世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星成功發(fā)射，有望在衛(wèi)星與地面之間收發(fā)不可破解的“密電”。從經(jīng)典通信到量子通信，一場通信技術(shù)革命已然來臨。
神秘的量子疊加
除了量子糾纏，量子還有另外一項非常奇特的“絕技”——量子疊加。
什么是量子疊加？讓我們首先認(rèn)識一下在科學(xué)界知名度最高的一只萌寵“薛定諤的貓”。
“一只貓放進(jìn)一個封閉的盒子里，然后把這個盒子連接到一個包含一個放射性原子核和一個裝有毒氣體容器的實驗裝置。這個放射性原子核有50％的可能性發(fā)生衰變。如果發(fā)生衰變，它會發(fā)射出一個粒子觸發(fā)實驗裝置開關(guān)，容器中的毒氣會釋放，從而毒死這只貓�！� 1935年，量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的薛定諤設(shè)想出這樣一個實驗。那么這只“薛定諤的貓”到底是死的還是活的呢？
在經(jīng)典物理學(xué)中，可以用某個物體的兩個狀態(tài)代表0或1，就像這只貓，或者死，或者是活，不可能同時處于死和活的狀態(tài)中。而根據(jù)量子力學(xué)理論，在實驗者沒有開箱進(jìn)行觀測時，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀態(tài)，換言之，盒子里的貓?zhí)幱诩仁腔畹囊彩撬赖臓顟B(tài)。
這種有違經(jīng)典物理世界常識的“既生又死”的狀態(tài)被稱為量子疊加，是量子物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的根本區(qū)別。
在量子世界，不僅有0和1的狀態(tài)，某些時候像原子、分子、光子可以同時處于0和1狀態(tài)相干的疊加。比如光子的偏振狀態(tài)，在真空中傳遞的時候，可以沿水平方向振動，可以沿豎直方向振動，也可以處于45度斜振動，這個現(xiàn)象正是水平和豎直偏振兩個狀態(tài)的相干疊加。
量子計算機(jī)的計算原理和“薛定諤的貓”是一樣的，利用的就是量子疊加態(tài)。在傳統(tǒng)計算機(jī)中，每個數(shù)位只有兩種狀態(tài)，非“0”即“1”，而量子計算機(jī)利用量子疊加態(tài)讓量子數(shù)位可以同時處于“0”和“1”這兩種狀態(tài)。擺脫了這種“非此即彼”的限制后，即便是一臺性能一般的量子計算機(jī)也能完勝當(dāng)今世界上最快的超級計算機(jī)。
簡單來說，傳統(tǒng)計算機(jī)只能按照時間順序一個個地解決問題，而量子計算機(jī)卻可以同時解決多個問題，大幅縮短用戶提取信息所需的時間。
量子計算機(jī)可以在幾天內(nèi)處理以往傳統(tǒng)計算機(jī)需數(shù)百萬年時間才能處理的龐大數(shù)據(jù)，被科學(xué)家們寄予厚望。它不僅可以在氣象預(yù)報、藥物研發(fā)、金融分析等領(lǐng)域發(fā)揮作用，甚至有助于揭示新能源新材料、高溫超導(dǎo)等復(fù)雜的物理機(jī)制。
盡管神秘而捉摸不透的量子力學(xué)仍然迷霧重重，科學(xué)家們卻已在利用量子世界的奇異特性開發(fā)威力強(qiáng)大的量子計算機(jī)和最為安全的量子通信。在探求量子世界奧秘的挑戰(zhàn)中，人類正在不斷實現(xiàn)自我突破。
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