“嗖”地一聲，整個(gè)人被傳送到千里之外;遠(yuǎn)隔千里，毫無(wú)延后地快速通訊;大量千年無(wú)解物理困局分分鐘內(nèi)得到破解……
搭上政協(xié)大會(huì)的東風(fēng)，“量子”火了一把。
據(jù)新華網(wǎng)報(bào)導(dǎo)，政協(xié)委員、中科大副院長(zhǎng)潘建偉透漏，中國(guó)正在廣州與深圳之間加緊建設(shè)世界最長(zhǎng)量子保密通訊骨干網(wǎng)路工程——“京滬干線”，并施行戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”工程。
一石喚起千層浪量子傳輸距離，人們的好奇心和想像力被迸發(fā)，甚至出現(xiàn)了“瞬間傳送”、“超光速”等“激動(dòng)人心”的展望。
不過(guò)，事實(shí)會(huì)讓好多人沮喪。是否就能實(shí)現(xiàn)“超光速”傳播和“瞬間傳送”，目前學(xué)術(shù)界還存在爭(zhēng)議，相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)還只是幻想。
這么，究竟走進(jìn)我們的“量子”能做哪些呢?
量子再引人注目
量子上一次引起人們的普遍關(guān)注，是在2012年。2012年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)化學(xué)學(xué)家塞爾日·阿羅什()和英國(guó)化學(xué)學(xué)家戴維·瓦恩蘭(.)。此后，諾爾馬克論述了“突破性的實(shí)驗(yàn)方式促使檢測(cè)和操縱單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能”的得獎(jiǎng)理由。
量子到底有什么奇妙之處呢?
量子這次被關(guān)注，是量子糾纏的奇妙特點(diǎn)。量子糾纏，是指成對(duì)出現(xiàn)的量子之間的“心靈感應(yīng)”。假如強(qiáng)行將二者拆散，二者狀態(tài)仍然是不確定的，但通過(guò)外界觀測(cè)其中一個(gè)，將其參數(shù)固定，另一個(gè)會(huì)“感應(yīng)”到這一變化，也固定出來(lái)。如同裝在黑盒子里的兩個(gè)小球，每時(shí)每刻都在紅綠兩種顏色中變化，但你從黑盒子里拿出一個(gè)小球，發(fā)覺(jué)它是黑色的，這么另一個(gè)小球都會(huì)手動(dòng)弄成紅色。這些特點(diǎn)就是量子通訊的基礎(chǔ)。
在量子這一領(lǐng)域，中國(guó)學(xué)術(shù)界，尤其是潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，是不可忽略的一股力量。
據(jù)媒體報(bào)導(dǎo)，2004年,中科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探求在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通訊。2005年，該小組在南京創(chuàng)造了13公里的自由空間單向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在內(nèi)層空間與月球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2007年開始,中國(guó)農(nóng)大—清華學(xué)院聯(lián)合小組在上海古北口與湖南永清之間架設(shè)歷時(shí)16公里的自由空間量子信道，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱型傳輸，否認(rèn)了量子態(tài)隱型傳輸穿越大氣層的可行性。2010年，該聯(lián)合小組成功實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱型傳輸，16公里的傳輸距離比原世界紀(jì)錄提升了20多倍。
到去年為止，這種突破更多是在學(xué)術(shù)界引發(fā)反響。而潘建偉所透漏下來(lái)的信息，讓人們雖然倍感“量子”已經(jīng)來(lái)到我們身邊。
不過(guò)，量子到底能給我們帶來(lái)哪些，好多人一直苦惱不清。
量子通訊：安全性提高更為顯著
量子糾纏并不受光速的影響，這讓好多人希望通過(guò)量子通訊解決通訊延后問(wèn)題。
打過(guò)越洋電話的人，若果比較敏感，會(huì)察覺(jué)通話過(guò)程中些微的延后。這些延后更多是因?yàn)橥窘?jīng)的各類路由設(shè)備所導(dǎo)致。但事實(shí)上，現(xiàn)階段還不能實(shí)現(xiàn)。
量子通訊，是將處于量子糾纏狀態(tài)的一對(duì)量子放在兩地，在一地通過(guò)觀測(cè)等手段確定量子狀態(tài)以后，另一地會(huì)同時(shí)發(fā)覺(jué)量子狀態(tài)的變化。雖然兩個(gè)量子遠(yuǎn)隔幾光年，這些“心靈感應(yīng)”無(wú)需時(shí)間。這么，量子通訊是否能突破延后的限制呢?
這一目標(biāo)目前還不能實(shí)現(xiàn)。單是量子狀態(tài)的改變，并不能確定信息的內(nèi)容，還須要曉得另一端的觀測(cè)手段，能夠反推出信息的內(nèi)容。因此，必須用常規(guī)通訊方法將“觀測(cè)手段”發(fā)送給收信方。
打個(gè)比方，量子如同一個(gè)帶有自毀裝置的密碼箱，密碼箱用客機(jī)送到你手里，你收到了袋子卻看不到袋子里的內(nèi)容，必需要等待只能用列車送過(guò)來(lái)的密碼。這么，你看見(jiàn)信息的速率仍然受限于列車而不是客機(jī)。這就限制了“超光速”傳遞信息的可能性。
這么，量子通訊的用處在那里?
最大的用處就是更高的安全性。因?yàn)閷?duì)量子的任何外界擾動(dòng)就會(huì)使其狀態(tài)發(fā)生變化，而其“心靈感應(yīng)”又不須要傳送過(guò)程，因此，在發(fā)送量子過(guò)程中、確定量子狀態(tài)過(guò)程中，都未能通過(guò)外力“監(jiān)聽”，雖然“監(jiān)聽”，也會(huì)馬上被通訊者發(fā)覺(jué)。如同你的密碼箱，假如他人接觸才會(huì)自毀，你會(huì)馬上發(fā)覺(jué);假如他人不接觸密碼箱，查獲了密碼仍然未能獲知袋子中的內(nèi)容。
目前，各個(gè)國(guó)家都在嘗試量子通訊。1997年，科學(xué)家首次用一對(duì)糾纏光子實(shí)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(guó)際上好多科研小組都在量子通訊方面進(jìn)行研究，2007年，印度的小組和中國(guó)的小組都借助光線達(dá)到100公里、200公里的傳輸距離。2008年，我國(guó)在南京開始打造全量子通訊的網(wǎng)路，當(dāng)時(shí)法國(guó)也在嘗試建立這樣的網(wǎng)路;2010年，加拿大也建立了量子通訊網(wǎng)路。潘建偉透漏，2016年，我國(guó)的第一顆量子通訊衛(wèi)星將升空。
另一方面，潘建偉還談到，量子通訊除了能傳輸信息，因?yàn)槠鋽y帶的信息完整，可以異地復(fù)制原子的狀態(tài)，大量的原子狀態(tài)傳遞，就可以復(fù)制出一個(gè)相同的物體。他打比方說(shuō)，相當(dāng)于在異地忘了帶鎖匙，讓遠(yuǎn)方的朋友發(fā)送過(guò)來(lái)鎖匙的模型，就可以在異地復(fù)制出一把一模一樣的鎖匙。2010年，中科大—清華學(xué)院聯(lián)合小組成功實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱型傳輸，傳輸距離達(dá)16公里。
不過(guò)，目前的技術(shù)水平一次就能復(fù)制的原子還甚少。因?yàn)橐话焰i匙蘊(yùn)涵的原子數(shù)量過(guò)分巨大，全部信息的傳遞須要以萬(wàn)年估算的單位來(lái)完成，對(duì)真實(shí)物體的傳送或則說(shuō)復(fù)制，短期內(nèi)尚不能實(shí)現(xiàn)。
量子估算：破解宇宙的奧秘
與量子傳輸相同，量子估算也是目前研究者們不斷探求的領(lǐng)域。
量子計(jì)算機(jī)中的每位數(shù)據(jù)由不同粒子的量子狀態(tài)決定，所以估算時(shí)采用的量子數(shù)據(jù)位在同一時(shí)間內(nèi)就能呈現(xiàn)出多種狀態(tài)——既可以是1也可以是0，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在運(yùn)算中采用的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)位在特定時(shí)間內(nèi)只能代表一個(gè)狀態(tài)——1或則0。這促使，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作一個(gè)n位數(shù)據(jù)的同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)可以操作2的n次方量級(jí)的數(shù)據(jù)。這有點(diǎn)像那種著名的故事：一個(gè)國(guó)王要賞賜國(guó)際圍棋的發(fā)明者，發(fā)明者提出，要在棋盤第一格放置1粒大豆，第二格放置2粒，依這種推，放滿64格棋盤。一個(gè)64位量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的估算能力，理論極限正如棋盤與麥粒總量的比較。
量子計(jì)算機(jī)的驚人潛力也吸引了諸多參與者。微軟和NASA(日本國(guó)家民航航天局)一起，對(duì)由D-Wave制造的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了聯(lián)合投資。
在可商用的量子計(jì)算機(jī)前進(jìn)路徑上，總部坐落溫哥華的D-Wave公司其實(shí)遭受指責(zé)，卻是走得最快的一個(gè)。據(jù)報(bào)導(dǎo)，其成功售出2臺(tái)D-Wave2計(jì)算機(jī)，單臺(tái)價(jià)值超過(guò)1000萬(wàn)港元。
2013年，的計(jì)算機(jī)科學(xué)家進(jìn)行了一次量子計(jì)算機(jī)與普通筆記本之間的對(duì)決。實(shí)驗(yàn)室用的量子計(jì)算機(jī)正是D-Wave2，包含439個(gè)量子位。D-Wave的芯片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)須要被冷卻到接近絕對(duì)零度的氣溫(0.02K,-273.13C)，同時(shí)因?yàn)榱孔游坏牟淮_定性，每一個(gè)估算都須要進(jìn)行上千次以確保其精確性。結(jié)果表明，D-Wave的硬件異常強(qiáng)悍，比普通的軟件估算速率快4000倍，不過(guò)其價(jià)錢是其對(duì)手的6666倍。另外，其在個(gè)別項(xiàng)目中表現(xiàn)突出，甚至可以達(dá)到10000倍，而在個(gè)別項(xiàng)目中與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相差不大。
一位科學(xué)界人士向記者表示，在個(gè)別算法上，量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)的提高是“非線性”的，正如棋盤和麥粒的故事;而在個(gè)別算法中，量子計(jì)算機(jī)沒(méi)有那么突出的表現(xiàn)。“不過(guò)，其始終會(huì)有線性提高，比如幾百或上千倍，但難以達(dá)到幾十萬(wàn)倍的驚人速率。”
讓人擔(dān)心的是，在量子計(jì)算機(jī)才能“非線性提高”的個(gè)別算法中，有些會(huì)動(dòng)搖目前數(shù)據(jù)世界的根基。比如，對(duì)質(zhì)質(zhì)數(shù)的分解。
2012年，加洲學(xué)院圣巴巴拉學(xué)校(UCSB)的一組研究人員宣布其早已設(shè)計(jì)并制造出一臺(tái)量子處理器，才能將一個(gè)素?cái)?shù)，如15——分解成其質(zhì)因子，3和5。
研究者埃里克·盧塞羅()稱量子傳輸距離，大數(shù)質(zhì)因子分解是網(wǎng)路安全合同的核心，如最常見(jiàn)的RSA加密。他說(shuō)道：“任何時(shí)侯你發(fā)送一個(gè)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(gè)事實(shí)，即確實(shí)很難找到大數(shù)的質(zhì)因子。”
他進(jìn)一步解釋說(shuō)，借助傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和廣為人知的精典算法對(duì)RSA實(shí)驗(yàn)室公布的最大的數(shù)(包含超過(guò)600個(gè)十補(bǔ)碼位數(shù))進(jìn)行質(zhì)因子分解，須要的時(shí)間歷時(shí)幾百億年，比宇宙的年紀(jì)還長(zhǎng)。并且量子計(jì)算機(jī)可以將用時(shí)削減到幾十分鐘。“量子計(jì)算機(jī)解決這個(gè)問(wèn)題比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快得多，用時(shí)相差15個(gè)數(shù)目級(jí)。”盧塞羅稱，“這將形成極為廣泛的影響。量子計(jì)算機(jī)將從多方面顛覆游戲規(guī)則，其中必然包括計(jì)算機(jī)安全。”
不過(guò)，量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)的未來(lái)更為吸引人。眾所周知，計(jì)算機(jī)技術(shù)在解決好多物理困局的過(guò)程中功不可沒(méi)，而科學(xué)家也希望量子計(jì)算機(jī)才能解決更多物理困局。這種又將改變我們的生活。
目前，量子計(jì)算機(jī)給人們的印象不過(guò)類似于一個(gè)玩具，只是口中的談資，并且在不久的將來(lái)，它將推動(dòng)計(jì)算機(jī)世界的時(shí)尚。