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(shù)學難題分分鐘內(nèi)得到破解……

 

搭上政協(xié)會議的東風，“量子”火了一把。

 

據(jù)新華網(wǎng)報道，政協(xié)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(wǎng)絡工程——“京滬干線”，并實施戰(zhàn)略性先導科技專項“量子科學實驗衛(wèi)星”工程。

 

一石激起千層浪，人們的好奇心和想象力被激發(fā)，甚至出現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)“超光速”傳播和“瞬間傳送”，目前學術(shù)界還存在爭議，相當長的一段時間內(nèi)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(fā)人們的普遍關(guān)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(tǒng)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(guān)注，是量子糾纏的奇妙特性。量子糾纏，是指成對出現(xiàn)的量子之間的“心靈感應”。如果強行將兩者拆散，兩者狀態(tài)依然是不確定的，但通過外界觀測其中一個，將其參數(shù)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(fā)現(xiàn)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(lǐng)域，中國學術(shù)界，尤其是潘建偉領(lǐng)導的研究小組，是不可忽視的一股力量。

 

據(jù)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(xiàn)更遠距離的量子通信。2005年，該小組在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2007年開始,中國科大—清華大學聯(lián)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(xiàn)了世界上最遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性。2010年，該聯(lián)合小組成功實現(xiàn)了當時世界上最遠距離的量子態(tài)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(shù)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(jīng)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(jīng)的各種路由設備所造成。但事實上，現(xiàn)階段還不能實現(xiàn)。

 

量子通信，是將處于量子糾纏狀態(tài)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(tài)之后，另一地會同時發(fā)現(xiàn)量子狀態(tài)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(xiàn)。單是量子狀態(tài)的改變，并不能確定信息的內(nèi)容，還需要知道另一端的觀測手段，才能反推出信息的內(nèi)容。因而，必須用常規(guī)通信方式將“觀測手段”發(fā)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(nèi)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(tài)發(fā)生變化，而其“心靈感應”又不需要傳送過程，因而，在發(fā)送量子過程中、確定量子狀態(tài)過程中，都無法通過外力“監(jiān)聽”，即使“監(jiān)聽”，也會馬上被通信者發(fā)現(xiàn)。就像你的密碼箱，如果別人接觸就會自毀，你會馬上發(fā)現(xiàn);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(nèi)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(xiàn)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(gòu)建全量子通信的網(wǎng)絡，當時歐洲也在嘗試構(gòu)建這樣的網(wǎng)絡;2010年，日本也構(gòu)建了量子通信網(wǎng)絡。潘建偉透露，2016年，我國的第一顆量子通信衛(wèi)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(tài)，大量的原子狀態(tài)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(fā)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(lián)合小組成功實現(xiàn)了當時世界上最遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，傳輸距離達16公里。

 

不過，目前的技術(shù)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(shù)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(nèi)尚不能實現(xiàn)。

 

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(lǐng)域。

 

量子計算機中的每個數(shù)據(jù)由不同粒子的量子狀態(tài)決定，所以計算時采用的量子數(shù)據(jù)位在同一時間內(nèi)能夠呈現(xiàn)出多種狀態(tài)——既可以是1也可以是0，傳統(tǒng)計算機在運算中采用的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)位在特定時間內(nèi)只能代表一個狀態(tài)——1或者0。這使得，傳統(tǒng)計算機操作一個n位數(shù)據(jù)的同時，量子計算機可以操作2的n次方量級的數(shù)據(jù)。這有點像那個知名的故事：一個國王要賞賜國際象棋的發(fā)明者，發(fā)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(tǒng)計算機的計算能力，理論極限正如棋盤與麥粒總數(shù)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(lián)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(zhì)疑，卻是走得最快的一個。據(jù)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(zhuǎn)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(jié)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(xiàn)突出，甚至可以達到10000倍，而在某些項目中與傳統(tǒng)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(xiàn)。“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(shù)據(jù)世界的根基。例如，對質(zhì)因數(shù)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(jīng)設計并制造出一臺量子處理器，能夠?qū)⒁粋€合數(shù)，如15——分解成其質(zhì)因子，3和5。

 

研究者埃里克·盧塞羅(ErikLucero)稱，大數(shù)質(zhì)因子分解是網(wǎng)絡安全協(xié)議的核心，如最常見的RSA加密。他說道：“任何時候你發(fā)送一個安全的傳輸數(shù)據(jù)——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(shù)的質(zhì)因子。”

 

 

他進一步解釋說，利用傳統(tǒng)計算機和廣為人知的經(jīng)典算法對RSA實驗室公布的最大的數(shù)(包含超過600個十進制位數(shù))進行質(zhì)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(tǒng)計算機快得多，用時相差15個數(shù)量級。”盧塞羅稱，“這將產(chǎn)生極為廣泛的影響。量子計算機將從多方面顛覆游戲規(guī)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(shù)在解決很多數(shù)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(shù)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(lǐng)計算機世界的潮流。