量子科技可能改变未来的生活

2017-01-10高峰

高峰

量子科技可能改变未来的生活

高峰

今年8月16日，我国成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空，人类将首次完成卫星和地面之间的量子通信，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。

量子卫星的成功发射和在轨运行，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升，有望推动我国在量子科学前沿领域取得重大突破，对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本个体。可以说，整个世界都是由量子组成的。量子理论被称为物理世界的百岁“幽灵”，连不少科学家都为其产生的神秘现象所迷惑，对于普通人来说自然更加高深。但若试着走近它，你会发现这个“幽灵”的魅力。

量子的奇妙之处首先在于它的奇妙特性——量子叠加原理和量子纠缠

量子叠加原理是说量子有多个可能状态的叠加态，只有在被观测或测量时，才会随机地呈现出某种确定的状态，因此，对物质的测量意味着扰动，会改变被测量物质的状态。

这就好比孙悟空的分身术，一个孙悟空同时出现在多个地方，孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在日常生活中，我不可能同时出现在两个地方，但在量子世界里，作为一个微观的客体，它同时出现在许多地方。

所谓量子纠缠则是两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎，不管两个人的距离有多远，当哥哥的状态发生变化时，弟弟的状态也跟着发生一样的变化。如果这两个光量子呈纠缠态的话，哪怕是千公里量级或者更远的距离，还是会出现遥远的点之间的诡异互动。

两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远，都能“感应”对方状态，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。科学家可以利用这种效应将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。

以往用以微电子技术为基础的计算机技术传递信息极易遭遇窃听，但通过把量子物理与信息技术相结合，利用量子调控技术，能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，从而在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈，这就是量子通信。

量子保密通信就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子，才能取到秘密。没有这把钥匙，别人无法打开箱子，而且一旦这把钥匙被别人动过，传送者会立刻发现，原有的钥匙作废，再给一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。

为何钥匙被别人一碰，就能立刻被知晓呢？因为科学家利用了上面提到过的量子有多个叠加态的原理，用量子作为密钥。这样一来，一旦有人试图截获或测试量子密钥，就会改变量子状态，科学家便能立刻从改变中发现有人动了钥匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能实现无条件安全的通信方式。

为何要发射量子卫星？受制于光纤不能放大量子通信信号的问题，导致了在远距离上信息传递效率很低，令科学家们一筹莫展。虽然通过量子中继手段，即分成若干段传输来降低每一段的损耗，但走向实际应用还需时日。后来，科学家发现，真空里不会有光的损耗，想要实现覆盖全球的广域量子保密通信，还需要借助卫星的中转。

通过发射卫星，去除干扰因素，就可以实现几千公里的量子通信。有了量子卫星，还可以在宏观距离上检验所谓的量子力学的非局域性，也就是“幽灵般的超距作用”。看看在实验室里不断被重复检验的理论，放在太空是否还能实现。

大规模推广量子通信应用后，将极大提高人们信息传输的私密性和安全性。建好“量子互联网”后，人们不用再担心任何信息泄露，从而避免恶意攻击和欺诈行为。

量子保密通信能够从三个方面保障信息安全。第一，发送者和接收者之间的信息交互是安全的，不会被窃听或盗取。第二，“主仆”身份能够自动确认，只有主人才能够使唤“仆人”，而其他人无法指挥“仆人”。第三，一旦发送者和接收者之间的传递口令被恶意篡改，使用者会立刻知晓，从而重新发送和接收指令。

比如，将来可以在手机中植入量子加密芯片，用来接收并存储密钥。人们只需要每天在家里，将手机和量子密钥分发机连接，就能够实现保密通信。走到这一步，还需要对网络基础设施进行改造，制定通信标准等，10年至15年，有望实现。

得益于这种绝对安全性，量子通信不仅应用于百姓日常通信，也可用于水、电、煤气等能源供给和民生网络基础设施的通信保障，还可应用于国防、金融、商业等领域，势必对产业界和科技界产生巨大的变革。

由于量子技术的巨大前景，美国、日本等大国也在积极研究，中国起步较晚，2011年才启动了量子卫星研制计划。“墨子号”成功发射后，中国还将陆续发射多颗量子卫星，并计划在2030年左右建成全球化量子通信网络。

中国量子科学实验卫星工程首席科学家潘建伟表示，量子通信技术将在未来5至10年，应用在国防、军事和金融领域，15年后将走进千家万户。届时，人们在使用电子消费时，都不必再担心各种网络攻击。

这种安全的量子通信在国防、军事、金融等领域应用前景广阔。专家预测，量子通信技术可能在20 至30年后对人类社会发展产生难以估量的影响。

目前，国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间，量子卫星的研制没有任何经验可循。《华尔街日报》报道称，中国在自然科学研究领域已经赶上甚至超越西方。（中国城市经济文化研究会）