量子衛(wèi)星來啦，瞬間移動還有多遠？

榮啟涵，吳晶晶，白國龍

量子衛(wèi)星來啦，瞬間移動還有多遠？

榮啟涵，吳晶晶，白國龍

還記得這樣的場景嗎？電影中，主人公走入一扇“任意門”，瞬間就穿越來到另一個空間……

在量子世界里，這或許不是幻想。

啥是量子？簡單來說，量子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。量子世界中有兩個基本原理：一個是量子疊加，就是指一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上，著名的“薛定諤的貓”理論曾經(jīng)形象地將之表述為“一只貓可以同時既是活的又是死的”。一個是量子糾纏，類似孫悟空和它的分身，二者無論距離多遠都“心有靈犀”，當兩個微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應(yīng)改變。

8月16日凌晨，我國發(fā)射了全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星。那么，量子衛(wèi)星都來了，“瞬間移動”“信息絕密”離我們到底還有多遠？

1　世界上真的有“絕對安全”的通信嗎？

這得先說說通信中信息是如何被竊取的。傳統(tǒng)光通信是通過光的強弱變化傳輸信息。從中分出一丁點光并不影響其他光繼續(xù)傳輸信息，測量這一丁點光原理上就能竊取信息。

量子通信則完全不同！竊聽者如果想攔截量子信號，并對其進行測量，將不可避免地破壞攜帶密鑰信息的量子態(tài)。根據(jù)量子“測不準定理”，這種破壞必然會被信息發(fā)送者和接收者所發(fā)現(xiàn)。

是否可以不破壞傳輸?shù)牧孔討B(tài)，只截取并復(fù)制，再繼續(xù)發(fā)送？這已被“量子不可克隆定理”完全排除，于是也就保證了量子通信的絕對安全。

2　“量子態(tài)隱形傳輸”意味著能實現(xiàn)《星際迷航》里的瞬間移動嗎？

“量子態(tài)隱形傳輸”是基于量子疊加和量子糾纏的特性，就是甲地某一粒子的未知量子態(tài)，可以在乙地的另一粒子上還原出來。其實傳輸?shù)氖橇Ｗ拥牧孔討B(tài)，而不是粒子本身。這種狀態(tài)傳送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬間移動”。

現(xiàn)在，在光子、原子等層面已經(jīng)實現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸。電影里“大變活人”在原理上是允許的，但目前還遠遠做不到。因為科幻電影里人的傳送，不僅需要把人的實體部分的大量原子、分子傳送，并且需要嚴格按照原來的相對位置重新排列起來，更何況重現(xiàn)意識和記憶就更復(fù)雜了。

不過，隨著科學的發(fā)展和技術(shù)的進步，也許未來我們還是可以實現(xiàn)人的量子隱形傳態(tài)，到那時星際旅行就不是夢啦。

3　將來會不會像《變形金剛》里一樣，機器人被裝上量子大腦，從而取代人類？

所謂量子大腦，其實就是當今正在研制中的量子計算機。未來的量子計算機可能會對人工智能起到極大的幫助，在數(shù)據(jù)搜索、分析和處理方面提供遠遠超過目前經(jīng)典計算機的運算能力。

機器人都是預(yù)先設(shè)置好程序的，而人是有意識和自由意志的。研究發(fā)現(xiàn)，人腦中的思維機制與量子疊加、量子糾纏或許存在相似之處。所以也有學者認為，未來可望創(chuàng)造出與人腦一樣運行的人工智能機器人。真到這種程度，機器與生物之間的界限已經(jīng)非常模糊。這目前還只是一種暢想，未來究竟怎樣還得拭目以待。

4　量子技術(shù)什么時候才能“飛入尋常百姓家”？

量子通信目前已經(jīng)實現(xiàn)在金融、政務(wù)系統(tǒng)等中的應(yīng)用。要讓每個人都用上，樂觀的話需要 10～15年。這需要對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進行改造，還涉及到標準制定。到時候，個人的網(wǎng)上銀行、手機支付、信用卡等就再也不怕被盜號，“棱鏡門”那樣的泄密事件也不會發(fā)生了。

而量子計算目前仍然處于基礎(chǔ)研究的階段，前進道路上還面臨著巨大的挑戰(zhàn)，不知道在二、三十年的時間內(nèi)能否實現(xiàn)初步應(yīng)用。一旦取得進展，其意義將是極其重大的。

5　量子科學和技術(shù)究竟將帶來一個怎樣的未來？

量子科學和技術(shù)其實已經(jīng)在方方面面影響著我們的日常生活。我們目前正在廣為使用的計算機、手機、互聯(lián)網(wǎng)、時間標準和導(dǎo)航，包括醫(yī)院里的磁共振成像等等，無一不得益于量子科學和技術(shù)。

用發(fā)展的眼光看，隨著微納加工、超冷原子量子調(diào)控等技術(shù)的不斷進步，人類將能夠制備出越來越復(fù)雜、功能越來越強大的各種人造量子系統(tǒng)。例如包括量子計算機芯片在內(nèi)的各種量子電路，其功能和信息處理能力將遠遠超過我們目前正在使用的經(jīng)典芯片，并且更加節(jié)能；再如可望制備出達到量子極限的能量收集和轉(zhuǎn)換器件，將引發(fā)能源變革；也有望大幅提升對時間、位置、重力等物理量超高精度的測量，不僅實現(xiàn)超高精度的潛艇定位、醫(yī)學檢測等，也將加深對物理學基本原理的認識。

總之，量子科學和技術(shù)的廣泛應(yīng)用最終將把人類社會帶入到量子時代，實現(xiàn)更高的工作效率、更安全的數(shù)據(jù)通信，以及更方便和更綠色的生活方式。?

【作者單位：新華社】

（摘自《科技日報》2016-08-18 第04版）