“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與阿里量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建天地鏈路。
全球首個(gè)規(guī)模化量子網(wǎng)路：南京城域量子通訊試驗(yàn)示范網(wǎng)全貌
可能好多人都有過(guò)類似的經(jīng)歷：當(dāng)一個(gè)人想起另一個(gè)人的時(shí)侯，對(duì)方卻能同時(shí)覺得到；忽然覺得到有人要給自己打電話，結(jié)果電話很快就響了……
我們一般稱之為“心靈感應(yīng)”，兩個(gè)人之間頓時(shí)的信息傳遞就是這么微妙，只是常年以來(lái)，我們要么覺得純屬巧合，要么干脆斥之為迷信、偽科學(xué)。
生活中的許多現(xiàn)象和奧秘，人類暫時(shí)還未能解釋。好在，科學(xué)對(duì)一切未知的東西，并不輕易否定。
20世紀(jì)量子理論的出現(xiàn)，顛覆了人類對(duì)微觀世界的很多看法。非常是量子糾纏理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)狀態(tài)發(fā)生變化，另外一個(gè)也會(huì)頓時(shí)發(fā)生變化——這不就十分類似于“心靈感應(yīng)”么？!
其實(shí)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)不是為“心靈感應(yīng)”做驗(yàn)證。但基于量子糾纏理論的量子通訊，解決了人類保密通訊的巨大困局。
2016年8月，中國(guó)成功發(fā)射“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。作為航天大國(guó)，中國(guó)幾乎每年還會(huì)成功發(fā)射幾顆衛(wèi)星，此次其實(shí)不會(huì)再像當(dāng)初發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”那樣，出現(xiàn)舉國(guó)慶祝的興奮與激動(dòng)，但在國(guó)際上依然造成很大風(fēng)靡。
“墨子號(hào)”是世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《自然》曾評(píng)價(jià)，“國(guó)際同行們正在努力追趕中國(guó)，中國(guó)現(xiàn)今似乎是衛(wèi)星量子通訊的世界領(lǐng)導(dǎo)者。”
量子通訊是迄今惟一安全性得到嚴(yán)格證明的通訊方法。
對(duì)保密通訊的需求自古就有，且無(wú)處不在。大至國(guó)家安全、商業(yè)秘密，小至個(gè)人隱私，都無(wú)一例外地與此息息相關(guān)。
高中課本中有一篇你們熟知的課文《信陵君竊符救趙》，出自《史記·魏公子列傳》，述說(shuō)魏公子信陵君盜魏王兵符、絞殺晉鄙、卻秦存趙的故事，其中解決問(wèn)題的死結(jié)，即中國(guó)唐代的身分驗(yàn)證工具——虎符。
在中國(guó)唐代，兵符乃兵甲之符，是唐代臣子授予將臣節(jié)度使和調(diào)兵遣將的兵符。“虎符”分為左右兩半，需調(diào)兵時(shí)，由清廷使者持右半符抵達(dá)，部隊(duì)長(zhǎng)官將右半符與左半符驗(yàn)合后，部隊(duì)即按使者傳達(dá)的命令行動(dòng)。
古埃及斯巴達(dá)人使用的密碼棒，其實(shí)是人類最早使用的文字加密揭秘工具：把長(zhǎng)帶子狀牛皮紙纏繞在圓木棍上，之后在里面寫字；解下牛皮紙后，里面只有零亂無(wú)章的字符，只有再度以同樣的方法纏繞到同樣粗細(xì)的圓木棍上，就能看出所寫的內(nèi)容。
保密和竊密，自始至終糾纏不已。為了保密，人類不得不在加密技術(shù)上不斷探求創(chuàng)新。從用紙筆或簡(jiǎn)單機(jī)械實(shí)現(xiàn)加揭秘的“古典秘法體制”，到莫爾斯發(fā)明電報(bào)實(shí)現(xiàn)加揭秘的“近代密碼體制”，再到以電子密碼催生的“現(xiàn)代密碼體制”，不斷飆升。
保密與竊密的攻守雙方，基本都是在加密、破譯的反復(fù)之中循環(huán)著。其實(shí)機(jī)關(guān)算盡，但要確保保密通訊萬(wàn)無(wú)一失量子糾纏通訊，仍需絞盡腦汁。
現(xiàn)代密碼體制中量子糾纏通訊，無(wú)論是對(duì)稱密碼體制還是非對(duì)稱密碼體制，其安全性都是基于物理的復(fù)雜性，與計(jì)算機(jī)的估算能力相關(guān)聯(lián)。上世紀(jì)90年代，隨著量子算法的提出，人們意識(shí)到，量子計(jì)算機(jī)在并行運(yùn)算上的強(qiáng)悍能力，使它能快速完成精典計(jì)算機(jī)難以完成的估算，一旦研發(fā)成功，將對(duì)現(xiàn)行所有密碼體制造成嚴(yán)重恐嚇。這話聽上去不免讓人膽戰(zhàn)心驚。但量子保密通訊技術(shù)，讓人類看見了“永不泄露”的曙光，可以做到不可監(jiān)聽、不可破譯。
神奇的是，量子通訊具備有“反監(jiān)聽”功能。借助光子的量子態(tài)作為秘鑰本身的載體，收發(fā)雙方通過(guò)量子檢測(cè)的方式，才能測(cè)量出這種光子在傳輸過(guò)程中是否受到了監(jiān)聽者的監(jiān)聽。
不僅量子保密通訊外，量子通訊中還有另一種應(yīng)用方法，即量子隱型傳態(tài)。量子隱型傳態(tài)是借助已分發(fā)的量子糾纏，把粒子的量子狀態(tài)傳送至遙遠(yuǎn)距離。在量子糾纏的幫助下，待傳輸?shù)牧孔討B(tài)在一個(gè)地方神秘地消失，不須要任何載體的攜帶，以光速又在另一個(gè)地方神秘地出現(xiàn)，但是不是巧合。
《西游記》中的神仙、妖怪常常玩“失蹤”，孫悟空一個(gè)跟頭能夠翻出去十萬(wàn)八千里，現(xiàn)代懸疑小說(shuō)中描寫的“星際穿越”，以及仙俠小說(shuō)中的“乾坤大挪移”，過(guò)去都只當(dāng)是科學(xué)幻想。如今看來(lái)，這種不是不可行，而是有可能。
量子通訊因其安全性和寬廣的應(yīng)用前景，很快成為國(guó)際上量子化學(xué)和密碼學(xué)的研究熱點(diǎn)，深受各國(guó)政府和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。
1992年，加拿大和美國(guó)的科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)量子秘鑰分發(fā)，傳輸距離32分米，由此拉開了量子通訊實(shí)驗(yàn)研究的帷幕。怎樣大幅度提升量子保密通訊的距離，成為重要研究方向，各國(guó)科研機(jī)構(gòu)都競(jìng)相在這一領(lǐng)域加碼。
1997年，加拿大蔡林格小組在室外首次完成了量子隱型傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；2004年，該小組借助多瑙河底的光纖信道，成功地將量子隱型傳態(tài)距離提升到了600米。
正是在這個(gè)時(shí)侯，潘建偉和他的研究團(tuán)隊(duì)，開始走入人們的視野。一系列驕人的研究成果，不斷給人們帶來(lái)驚喜。
1996年，從中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院結(jié)業(yè)的潘建偉，赴德國(guó)因斯布魯克學(xué)院留學(xué)，師從量子實(shí)驗(yàn)研究的知名學(xué)者安東·蔡林格院士。1997年，還是博士研究生的潘建偉以第二作者身分發(fā)表了題為《實(shí)驗(yàn)量子隱型傳態(tài)》的論文。這個(gè)實(shí)驗(yàn)，被公覺得量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作。該論文與“愛因斯坦構(gòu)建相對(duì)論”等劃時(shí)代的論文一齊被《自然》雜志選為“百年化學(xué)學(xué)21篇精典論文”。
潘建偉1999年博士結(jié)業(yè)的時(shí)侯，國(guó)外的量子信息研究還處于剛才起步的階段。2001年，潘建偉在中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院成立量子化學(xué)與量子信息實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)10多年的努力，帶出了一支聲震國(guó)際的量子“夢(mèng)之隊(duì)”。
從32分米到100公里，時(shí)間用了不到20年，卻打開了量子通訊邁向應(yīng)用的房門。2006年夏，潘建偉小組和法國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室—?dú)W洲法蘭克福學(xué)院—維也納學(xué)院聯(lián)合研究小組各自獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了引誘態(tài)方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100公里的引誘態(tài)量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。
由潘建偉任首席科學(xué)家的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射后不到一年，2017年9月，世界首列1000公里級(jí)量子保密通訊干線——“京滬干線”正式開通。借助量子“京滬干線”與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的天地鏈路，中科院與法國(guó)科大學(xué)進(jìn)行了人類歷史上第一次洲際量子保密通訊視頻通話。
2019年8月15日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》報(bào)道，中國(guó)科學(xué)家潘建偉研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)高維度量子體系的隱型傳態(tài)。印度數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)等發(fā)表評(píng)論稱，這一成果為發(fā)展高效量子網(wǎng)路奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，是量子通訊領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。
值得一提的是，2017年5月3日，潘建偉團(tuán)隊(duì)宣布，借助高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源，建立了世界首臺(tái)針對(duì)特定問(wèn)題的估算能力趕超初期精典計(jì)算機(jī)的光量子估算截?fù)魴C(jī)。這意味著，量子估算的技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅猛，誕生可以破解精典密碼的量子計(jì)算機(jī)，其實(shí)并不遙遠(yuǎn)。
潘建偉說(shuō)：“我們正處在一個(gè)不斷實(shí)現(xiàn)和趕超夢(mèng)想的光榮時(shí)代。”這種信心和情結(jié)，讓人欽佩，令人期盼。
道初一尺，魔高一丈。科學(xué)發(fā)展到明天，人類看見的世界，僅僅是整個(gè)世界的一小部份。人類未知的世界，多到無(wú)法想像。如今也許可以說(shuō)，量子保密通訊能做到“永不泄露”，但在未來(lái)呢？
大膽假定，當(dāng)心求證。探索未知的夢(mèng)想，才是人類前進(jìn)的動(dòng)力。科學(xué)正是在不斷懷疑、假設(shè)、證實(shí)、否定中不斷發(fā)展的。
應(yīng)當(dāng)向這些執(zhí)著于窺探未來(lái)的人們致敬。古往今來(lái)，正是由于有了她們，如潘建偉團(tuán)隊(duì)那樣，仍然鍥而不舍地在與“量子們”的“糾纏”中，追逐夢(mèng)想，闡明世界奧秘，彰顯神奇力量，能夠讓人類不斷拓展所能認(rèn)知的更寬廣幅員，直奔起初以為遙不可及的遠(yuǎn)方。
(本文圖片由廣東省新聞辦提供)