奔跑中的中國 — 量子通信與量子存儲器

加 加 徐 珊/供稿

親愛的小伙伴們，你們知道嗎？在2016年全球自然科學技術(shù)指數(shù)中，我國共有20項高科技處于世界第一，領(lǐng)先于西方國家！我一直以為祖國只是個加工大國，沒想到科技也已經(jīng)這么發(fā)達，能研發(fā)出這么多的屬于自己的高科技！

我真的是太激動了，相信小伙伴們此刻的心情也跟我一樣吧！接下來，就讓我一個一個來介紹吧！今天，咱們就先來說說量子通信和量子存儲器。這是兩項相依相存的科技，同時也是2016年最火的科技。

2016年5月，中國科學技術(shù)大學的教授們成功研究出百毫秒級高效量子存儲器。2016年8月，量子通訊衛(wèi)星“墨子號”被送入軌道。它不僅是中國第一顆，也是世界第一顆上天的量子衛(wèi)星。憑借著這顆衛(wèi)星，我國首次建成了“天地一體化”的量子通信網(wǎng)絡(luò)，奠定了我國在量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)頭地位。

看到這里，我產(chǎn)生了一個疑問：現(xiàn)在的通訊這么發(fā)達，電話、網(wǎng)絡(luò)無處不在，通訊衛(wèi)星更是滿天飛舞，為什么還要弄量子通信這么高深的東西？它到底有什么用處呢？現(xiàn)在，我就請W博士來給我們科普一下吧。

在說量子通信之前，我們還是要先了解一下現(xiàn)有的通信手段。原來，從無線電到有線電話、傳真，再到現(xiàn)在的手機、互聯(lián)網(wǎng)，這些通信技術(shù)都存在安全隱患。

博士對我說：“諾諾，你不是對第二次世界大戰(zhàn)很感興趣嗎？那你一定知道盟軍獲勝的原因吧！那時軍隊發(fā)的都是電報，就像廣播電臺發(fā)送廣播一樣，誰都可以‘截獲’電報，而且敵人甚至不知道你已經(jīng)得到了機密文件。為了讓電報更安全，各國都有自己的電報密碼。美軍正是因為得到了日軍的密碼翻譯文件，摸清了日本海軍的行蹤，這才在太平洋戰(zhàn)場上大獲全勝。英軍也是在成功破譯了德軍自認為不可破解的‘恩尼格碼’密碼之后，才吹響了反攻的號角。”

無線電會被竊聽，有線電話也不安全。諜戰(zhàn)片里經(jīng)常會有這樣的場景，間諜只要把一根電線搭在電話線上，就可以輕易竊聽了。至于互聯(lián)網(wǎng)泄密的事情，大家也一定不陌生。

不知你有沒有想過，當你在網(wǎng)上購物，當你用手機通話或收發(fā)微信時，所有信息都是在開放的網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)模瑳]有密碼技術(shù)保護，很容易被黑客截獲。據(jù)估計，全世界每天的生產(chǎn)總值至少有一半在國際銀行金融電訊網(wǎng)絡(luò)上流動，這樣大規(guī)模的金融活動如果失去保護，必會引起世界級的災(zāi)難！

同時，現(xiàn)代化的軍隊也比過去更依賴于網(wǎng)絡(luò)安全。事實上，現(xiàn)在只要能破解密碼，就可以在瞬間關(guān)閉敵對國的供電、通信、國防武器系統(tǒng)，做到不戰(zhàn)而勝，而量子計算機正是可以輕易攻克任何密碼的利器！

既然科學家們發(fā)明了量子計算機，那么他們肯定也需要研發(fā)對抗它的手段，那就是量子加密通信。

我問博士，量子通信聽起來就好高深的樣子，到底是什么東西呢？博士說，要了解量子通信，就必須先講量子。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。量子的奇妙之處就在于它的特性—量子疊加原理和量子糾纏。

什么是量子疊加原理？“這就好比孫悟空的分身術(shù)，各個分身能夠同時出現(xiàn)在多個地方。”W博士解釋道，“在生活中，我不可能同時出現(xiàn)在兩個地方。但在量子世界里，作為一個微觀的客體，它卻可以同時出現(xiàn)在許多地方。”

要知道什么是量子糾纏，你就必須先了解“心靈感應(yīng)”。比如影片中，女主角突然頭痛欲裂，竟然是因為她遠在天邊的雙胞胎妹妹中彈倒地了。你是不是覺得這樣的情節(jié)只會出現(xiàn)在電影中呢？事實上，這在量子世界里是真實存在的。量子物理實在是太違反常規(guī)了，兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩者的距離有多遠，都能感應(yīng)并復(fù)制對方的情況，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。2015年，荷蘭科學家證實“遠距離瞬間感應(yīng)”在世界上真的存在。

在了解了量子的這兩種特性后，讓我們回過頭來看一看量子通信吧！

量子通信分為量子保密通信和量子隱形傳態(tài)。量子保密通信，就好比你想要把一只保險箱運給別人，打開這只保險箱需要兩把鑰匙（即兩個糾纏著的量子）。這只保險箱只能打開一次，如果有人想強行打開，保險箱就會自毀。接著，你把其中一把鑰匙先發(fā)過去，如果這把鑰匙在途中被其他人接觸，你手上那把鑰匙就會立刻產(chǎn)生感應(yīng)，大大減少了安全隱患。

量子隱形傳態(tài)就更牛了，它能把實驗室中一個粒子的未知量子態(tài)完美地傳送到遠方的另一個量子上。在旁人看來，就好像是一個粒子瞬間移動到了另一個地方一樣！科學家希望這項技術(shù)能為將來的人體瞬移打下堅實的基礎(chǔ)。

現(xiàn)在，我們知道量子通信有多厲害了。但科學家為什么要發(fā)射“墨子號”呢？原來，發(fā)射“墨子號”主要有三個目的：第一是用它來進行衛(wèi)星和地面之間的量子通信；第二是能夠通過衛(wèi)星實現(xiàn)遠距離的糾纏光子分發(fā)，測試量子糾纏現(xiàn)象，考察量子力學的特性；第三是做量子信息的遠距離傳送，也就是量子隱形傳態(tài)。

之所以要做衛(wèi)星和地面之間的量子通信，是因為量子信號在光纖中的損耗非常大，而通過自由空間（例如大氣層）卻可以輕松傳遞，因此需要用衛(wèi)星作為空間里的中轉(zhuǎn)站。如果我們想讓量子通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球，那就需要20顆量子通信衛(wèi)星。等到“量子互聯(lián)網(wǎng)”完全建成后，人們再也不用擔心信息泄露了，真希望那一天能早點到來！