当信息时代遇上“量子”

曹天元

近些年，“量子”一词热度明显提升。不仅流行文化如科幻文学、影视、动漫等作品中越来越多地出現量子概念，在科技报道里也时常可以看到量子领域突破性进展的新闻。这并非偶然，因为如今量子领域正面临一场新的革命，也就是所谓“二次量子革命”。只不过这一次，走在时代前沿的是量子力学与信息科学的交叉领域——量子信息。

凭借“绝无仅有”的安全性，量子信息将为解决信息安全问题提供支撑。

什么是量子信息？我们知道，以电脑、通信、互联网等为代表的信息技术已经在很大程度上改变了人们的生活。然而，随着时代发展，科学家们发现，如果把传统的表征信息的基本物理单元替换成符合量子力学规律的微观量子系统，从而将量子力学基本原理运用到数据计算、加密、传输等信息处理过程中，将能完成一些传统信息技术无法想象的任务，这些领域统称为“量子信息”。

量子信息主要的三个方向是量子计算、量子加密与量子传输。

量子计算利用的是量子论里独特的“量子叠加态”。量子论和经典物理的最大不同，就是它认为事物状态并不是唯一确定的，而可以是各种可能性的“叠加”。传统计算机处理信息的最小单位比特，要么是0要么是1，不可能有其他状态：但在量子论看来，一个比特可以既是0又是l，也就是处于0和1的叠加态，这叫作“量子比特”。量子计算机就是利用这种性质进行计算的，因为处理的是处于叠加态的量子比特，所以可以用同步并行的方式进行。换句话说，传统计算机一次只能处理一个信息，而量子计算机一次可以处理N个信息的叠加，计算效率大大提高。这就使量子计算在某些领域极具威力。比如破解密码，今天流行的加密方式，其安全性主要建立在电脑计算能力的限制上——只要密码足够长，哪怕把全世界最强大的超级计算机放到一起计算，也未必能够算出结果。而一旦量子计算机成功面世，现行加密体系将面临失效。需要说明的是，并不是在所有问题上，量子计算机效率都高于传统计算机。由于目前只发现少数几种量子算法，因此只在特定问题上，量子计算机才具有明显优势。除破解密码，在天气预报、药物合成、深度学习、人工智能开发等领域，量子计算都被证明大有可为。

量子加密利用的是量子不可克隆原理。量子力学认为，不可能把一个粒子的状态信息精确“拷贝”一份而不改变它本身。利用这种不可克隆性，可以实现一种理论上“绝对安全”的加密手段。在实践中，我们用光子的偏振方向来“编码”随机产生的密钥信息，一旦这些光子在传输途中被人窃听，由于不可克隆原理，它们的初始状态必定遭到破坏，传输方和接收方很容易通过比较发现这一点，并重新更换密码。只有当双方确认接收到的密码未遭窃听之后，才会发送加密过的正文，从而保证内容传输的绝对安全。

量子传输利用的是“量子纠缠”。所谓“纠缠”，指的是两个粒子的状态会产生量子力学系统所特有的奇特关联。你可以想象成抛两枚硬币，一旦它们“纠缠”在一起，就一定会抛出同样的结果。神奇的是，哪怕这两枚硬币后来相隔遥远，甚至飞到宇宙两端，它们之间的“纠缠”也仍然可以继续存在。利用这一原理，我们可以把一个粒子的状态原封不动地“传送”到另一个粒子身上。在刘慈欣科幻小说《三体》里，三体人制造了4个智子，其中两个智子发射到地球，另外两个留在三体世界，正是凭借这些智子，三体人可以跨越4光年距离与人类进行实时沟通，这背后就是利用量子纠缠原理进行通信。当然，与科幻小说不同，真正的量子传输并不能超光速地“瞬间”传送信息。因为在传送粒子状态过程中，我们还需要给接收方一个额外“密码”来解密，而这个密码仍然需要靠传统通信手段来传输。除了不能超光速，从原则上讲，科幻电影里常见的场景——一个物体在一处消逝，再在另一处重现，并非是完全不可能的，只是现阶段技术水平还仅局限在传送原子、光子等微观状态。凭借量子加密和量子传输“绝无仅有”的安全性，量子信息技术将为解决备受世界关注的信息安全问题提供支撑。

量子信息在通信、国防安全、金融等方面具有广阔应用价值和前景，因此迅速成为世界各国大力发展的重点领域。在这轮量子信息浪潮中，在若干方向上，中国当之无愧是领跑者之一。2016年，中国发射了世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”;2017年，全球首个远距离量子保密通信骨干网“京沪干线”正式开通，可为沿线金融机构、政府部门等提供高安全等级量子保密通信业务支持。可以说，在量子加密、量子传输等领域，我们已经取得国际领先地位，在超导量子计算等方向上，我们的进步也非常显著。

如今，新一轮科技革命和产业变革正处于重要交会期，以数字化、网络化、智能化为标志的信息技术革命正深刻改变着世界面貌和人类生产生活。关于量子信息乃至整个信息科学的科普工作，还有很大进步空间，众所周知，我们今天生活在一个信息时代，和量子论一样，创立于70多年前的信息论也是一门深刻改变了世界的学说，但在这个领域，至今仍然缺乏在公众中具有广泛影响力的科普作品。信息论和量子论的结合正焕发新的绚烂光彩，这跟我们每个人息息相关，应该被更深入地认识和理解。

（选自《人民日报》2020年1月21日，有删改）