量子科技：帶給未來世界無限可能

2022-01-03

　　量子是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱，是目前物理世界已知的zui小基本微粒。日常生活中無處不在的光就由大量光量子組成。在量子力學(xué)中，科學(xué)家聚焦的是：在單個(gè)原子或次原子粒子尺度上，物質(zhì)與能量的行為和相互作用。相較于宏觀物理世界，量子有很多奇妙特性，諸如量子疊加和量子糾纏。其中，對(duì)通信zui重要的影響是“量子糾纏”。量子信息學(xué)是量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它包括量子密碼、量子通信、量子計(jì)算機(jī)等，近年來，在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了重大突破。

　　20世紀(jì)90年代，物理學(xué)家在理論上證明，對(duì)微觀世界的物體而言，借助神奇的“量子糾纏”，可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)準(zhǔn)確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身。將量子力學(xué)理論和信息技術(shù)結(jié)合，通過對(duì)光子、原子等微觀粒子的準(zhǔn)確操縱，信息編碼、存儲(chǔ)、傳輸?shù)忍幚矸绞綄��?huì)發(fā)生革命性變革。


　　由于一個(gè)量子單元的行為能瞬間影響另一個(gè)量子單元，從而改變被測(cè)量物質(zhì)的狀態(tài)，這一特性意味著，不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)未知量子單元的準(zhǔn)確復(fù)制。基于這一原理，科學(xué)家提出了量子密碼的概念，也就是用具有量子態(tài)的物質(zhì)作為密碼。


　　量子密碼是應(yīng)用量子糾纏效應(yīng)來進(jìn)行信息的保密性傳輸，它的優(yōu)點(diǎn)在于：不必在密碼編輯上勞神費(fèi)力，甚至根本不用常規(guī)密碼，直接把信息以糾纏態(tài)方式發(fā)送，即可保密。原因是，當(dāng)黑客闖入傳輸網(wǎng)絡(luò)，光子束會(huì)出現(xiàn)紊亂，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的探測(cè)器都會(huì)指出錯(cuò)誤等級(jí)的增加，從而發(fā)出受干擾警報(bào)；發(fā)送與接收雙方也會(huì)隨機(jī)選取比較，全部匹配才會(huì)確認(rèn)信息沒有被竊聽。這樣一來，黑客就無法不留痕跡地闖入一個(gè)量子系統(tǒng)，甚至連嘗試解碼這一舉動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致量子密碼系統(tǒng)改變?cè)�有狀態(tài)。當(dāng)然，即便有黑客成功攔截獲得了一組密碼信息的解碼鑰匙，也僅是亂碼信息，而在完成這一舉動(dòng)的同時(shí)，也導(dǎo)致了密鑰的變化。當(dāng)合法的信息接收者檢查鑰匙時(shí)，則可以從量子態(tài)的改變中知道密碼曾被截取過，一旦發(fā)現(xiàn)破綻，就會(huì)馬上更換新的密鑰。


　　量子密碼的出現(xiàn)使密鑰的安 全性產(chǎn)生了全新變化。將量子密碼應(yīng)用于量子通信系統(tǒng)中，就成了量子保密通信。隨著量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，用不了太多時(shí)日，量子保密通信作為保障信息社會(huì)通信安 全的關(guān)鍵技術(shù)，將會(huì)走向大規(guī)模應(yīng)用——廣泛應(yīng)用于政治、經(jīng)濟(jì)、科技、金融等重要領(lǐng)域，為信息化社會(huì)提供基礎(chǔ)的保密服務(wù)和zui可靠的安 全保障。


　　除了安 全保密外，“神速”也是量子通信的另一大優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)通信的算法基礎(chǔ)是0或1，而量子通信是量子單元，不僅含有0或1，還有0和1共存的狀態(tài)，所有單元可同時(shí)完成邏輯運(yùn)算，同時(shí)完成多重任務(wù)。量子計(jì)算機(jī)的這一特性，注定了量子通信的速度將比現(xiàn)在的通信速度大大提高。例如，4G網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間為50毫秒，無線電信號(hào)從火星傳到地球要延遲十幾分鐘。而采用量子通信技術(shù)，不受傳輸距離影響，可消除延遲現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)“即時(shí)”通信。在未來，量子通信即時(shí)溝通的優(yōu)勢(shì)將大有用武之地。


　　顯而易見，量子特性在信息領(lǐng)域中有著獨(dú)特功用，在提高運(yùn)算速度、確保信息安 全、加大信息容量等方面，將突破現(xiàn)有信息系統(tǒng)的極限。量子通信可以從根本上杜絕竊密，確保信息安 全，并能夠極大提高信息處理速度。量子通信大規(guī)模推廣應(yīng)用后，“量子互聯(lián)網(wǎng)”將順理成章取代現(xiàn)如今的互聯(lián)網(wǎng)。


　　而量子信息技術(shù)實(shí)用化的難點(diǎn)在于，對(duì)多粒子糾纏的操縱，這也是量子信息處理的核心物理資源。科學(xué)研究證明，要實(shí)現(xiàn)有實(shí)用價(jià)值的量子模擬機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的基本功能，起碼要實(shí)現(xiàn)幾十到上百個(gè)量子比特的糾纏。目前，科學(xué)家僅能一次性將12種粒子糾纏起來；而量子計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，至少需要將這一數(shù)字增加數(shù)十甚至上百倍。看來，量子通信的階段性成果觸手可及，而有決定性意義的成果還需再接再厲！


　　當(dāng)然，量子理論的應(yīng)用遠(yuǎn)超計(jì)算和通信領(lǐng)域，量子科學(xué)帶來無限可能。正如愛因斯坦所說：“我們現(xiàn)在所看到的只是一個(gè)尚未完全理解的真 正實(shí)體的局部。”通過量子理論，人類將有機(jī)會(huì)在微觀和宏觀世界之間架設(shè)橋梁。


　　還可以制造高靈敏度的重力強(qiáng)度測(cè)量儀，用于探測(cè)地下的管道，或者探測(cè)深海以下的核潛艇，采用先進(jìn)的量子科技制作的精 密傳感器，能夠測(cè)量大腦神經(jīng)元的活動(dòng)，這樣就像人腦控制計(jì)算機(jī)的目標(biāo)又大大的邁進(jìn)了一步。


　　總之，利用量子理論來變革信息技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)信息處理能力的革命性突破，量子計(jì)算機(jī)和量子通信不只存在于科幻小說中，而是越來越接近現(xiàn)實(shí)世界。量子科技在推動(dòng)人類社會(huì)文明進(jìn)步方面將發(fā)揮顛覆性作用，要進(jìn)一步創(chuàng)新技術(shù)和變革理念，以更好地操控多粒子糾纏，進(jìn)而推動(dòng)量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大