量子糾纏及其應用前景分析

摘? 要：量子糾纏描述了兩個或多個互相糾纏的粒子之間的一種“神秘”的關聯，即使各自相互距離很遙遠，之間也沒有任何介質，但是其中一個粒子的行為將會影響到另一個粒子的狀態。文章介紹了量子糾纏的內涵，結合當前的科技發展現狀，分析了其在能量回收、信息加密、通信、計算以及軍事領域的應用前景，并就其未來發展可能帶來的影響進行了探討。

關鍵詞：量子糾纏;量子技術;信息加密

Abstract：Quantum entanglement describes a “mysterious” relationship between two or more entangled particles. Even if they are far apart from each other，there is no medium between them，but the behavior of one particle will affect the state of the other. In this paper，the connotation of quantum entanglement is introduced，and its application prospects in energy recovery，information encryption，communication，computing and military fields are analyzed，and the possible impact of its future development is discussed.

Keywords：quantum entanglement;quantum technology;information encryption

0? 引? 言

在量子力學領域，當幾個粒子在彼此相互作用后，由于各個粒子所擁有的特性已經綜合成為整體性質，無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，則稱這種現象為量子糾纏。例如，對于兩個相互關聯的粒子，當測量其中一個粒子時，另一個粒子即便在遠處的任意位置也會同時做出相應的變化，它們彼此之間沒有任何信息傳遞，但確實又存在著超越空間的相互作用[1]。這種兩個或以上的粒子相互作用的現象被愛因斯坦稱為“幽靈”。隨著量子理論的發展，量子糾纏已經被科學界廣泛認可，合理利用該現象也會在諸多方面影響我們的生活。

1? 量子糾纏的現象

量子糾纏描述了兩個或多個互相糾纏的粒子之間的一種“神秘”的關聯，即使各自相隔距離很遙遠，之間也沒有任何介質，但是其中一個粒子的行為將會影響到另一個粒子的狀態，假設其中的一個粒子被操作而自身的狀態發生了變化，其中的另外一個粒子也會發生相應的變化。例如，先讓粒子A和粒子B發生“糾纏”，然后將兩個粒子一個送到月球，一個送到火星，當月球上的粒子沿著順時針旋轉時，火星上的粒子會沿著逆時針旋轉;相反，如果月球上的粒子逆時針旋轉，那么火星上的粒子會相應順時針旋轉。但是在測量之前，任一粒子的旋轉方向都是不確定的，只有測量這個動作發生了，才能確定某一粒子的旋向，而當這個粒子的旋轉方向確定以后，另一個相互糾纏過的粒子的旋向也就一定了。

2? 量子糾纏的發展現狀

盡管量子糾纏仍然非常神秘，但是目前為止科學家們對它也有了一些了解，物理學家已經展示了量子糾纏是如何在相隔不同距離的條件下工作的。其中，由潘建偉研究團隊通過同時操縱6個光子的自由路徑、極化和軌道角動量實現了18量子位的量子糾纏，同時實現了衛星地球之間千公里級的量子糾纏和密鑰分發及隱形傳態。當我國發射的量子科學實驗衛星墨子號過境的時候，其同時與麗江高美古站和德令哈站建立了光鏈路，衛星上糾纏載荷每秒產生近1000萬糾纏對，而光鏈路以每秒一對的速度在地面超過1200公里的兩個地面站中建立量子糾纏，這一成就將使得未來量子通信在未來更加實用和可靠[2]。

3? 量子糾纏的應用前景分析

3.1? 在能量回收領域的應用

美國亞利桑那大學的研究人員借助量子力學中的量子干涉原理研制了一種新型材料，該材料能夠有效地將熱能轉化為電能。該材料的特點是非常薄，其厚度只有百萬分之一英尺，應用比較方便，所需空間較小。主持該項任務的研究團隊表示，如果用這種極其薄的新型功能材料將汽車的整個排氣系統全部包裹起來，利用排氣系統轉化得到的電能將足以點亮200支100W的燈泡。根據此實驗，我們有理由憧憬，未來能夠將損失的熱能有效利用，從而大幅度減少能量的損失，提升能量轉換利用率。如果將熱能轉化為其他形式的能量，能夠提升各類用電設備的工作時間和穩定性，大幅降低在電源如何有效儲能這一方面的研究投入。同時如若減小能量損耗，可以有效降低資源的開發使用率，減小對環境的污染和對地球的過度開發，為可持續發展提供基礎條件，為人類文明在地球上的延續提供環境保證。

3.2? 在信息加密領域的應用

信息的加密與解密在軍事、商業等各方面自古以來都是一組相互促進、共同發展的共生技術。該技術的發展離不開當時科技條件的支持，同時也是當時科技條件的一種反應。但是無論加密方式多復雜，只要知道其中基本的規律，通過反規律而行之一般仍然能夠破解加密信息。然而通過在信息傳播過程中進行“量子加密”，就能夠將信息保護視為“絕對安全”的級別。之所以安全，是因為假如有人闖入信號傳輸的網絡，光子束會發生嚴重紊亂，導致信號傳輸網絡中的每一個信號節點的探測器增加錯誤等級，相當于發出了受到襲擊的警告信息，這時發送端和接收端雙方都會隨機選擇若干鍵值的子集進行匹配，只有全部匹配才認為沒有竊聽，倘若有一點不匹配則認為信號被竊聽。實際上，只要有闖入者進行嘗試解碼，這一舉動便會導致量子密碼系統改變自身的狀態。因此只要發生竊聽行為，都會被檢查者發現，從而終止機密信息的傳輸或更換新密鑰，進而保護各類機密信息。

3.3? 在通信領域的應用

當前的各類通信主要是通過電磁波或光纖的方式進行傳輸，由于傳輸距離基本未超出過太陽系，所以通信速度能夠基本實現全球“同步”直播。但確切地來講，任何類型的資料通過當前的信息傳輸介質傳播，都需要一些時間才能到達最終的接收方，只是用時較短導致人類的感官難以察覺分辨而已，距離真正的“即時通信”還存在技術手段上的硬傷。然而，量子糾纏現象為即時通信提供了可能性。也保持著特別的關聯性，對一個粒子的操作會影響到另一個粒子。簡單來說就是，處于糾纏態的兩個粒子，即使距離再遙遠，當其中一個粒子被測量或者被觀測到時它的狀態會被確定，而此時與之糾纏的另一個粒子的狀態也會隨之發生即時的改變。因此，利用這一現象，我們可以通過操縱其中一個粒子的方式引起相互存在糾纏關系的其他粒子的狀態發生“即時”變化，從而完成在距離任意遙遠的兩點之間的信息傳送。例如，隨著未來人類可利用宇宙空間的不斷延伸，可能會出現人類之間或人類與其他物種之間橫跨星系的交流，這種交流如果通過傳統的通信方式進行，可能會導致延時數小時甚至數年。但是通過量子糾纏進行量子通信，則能夠解決星際或宇宙之間任意距離的實時通信問題。當然，這一應用也面臨著巨大的技術難題，目前還處于方案設想及初級試驗階段。

3.4? 在計算領域的應用

量子計算與傳統的計算機相比，其計算速度要快得多，基本上是指數倍的關系。大致原理為，計算機內部采用0和1二進制，計算采取二進制的加減乘除算法，之所以比人計算得快，只是因為計算機內部的位數較多，以及機器計算速度比人要快得多，但是其計算時還是采用特別笨的辦法，一步一步按照先后順序來算，只是速度快了而已。而量子計算不同，量子的0和1是不確定的，可以同時認為是0也可以認為是1，也就是說，量子計算是并行運算，沒有按照先后順序一步一步算，而是同時計算很多步。以“走迷宮”為例，對于復雜的迷宮，當前的計算機需要從一個點出發，遇到十字路，只能走一個方向，然后發現走不通，再返回到這個十字路口去走向另一個方向，這樣不斷“試錯”，最終找到一條正確的路徑，因此需要一定的時間;而量子計算不同，量子可以同時從一個點出發，遇到一個十字路口，同時向四個方向前進，再遇到另一個十字路口，還是同時向四個方向前進，因此其不是逐個試錯，而是同時試錯，所以速度比傳統計算機呈指數級別增加。“人工智能”作為當前科技領域的發展熱點，其核心內容在于算法，通過大量的數據進行對比學習等方式，進行分類和特征提取。但是由于當前的計算資源和計算速度有限，導致計算速度不夠或計算容量不夠，使得“人工智能”在某些復雜的場合和某些對瞬時性要求較高的時候變成了“人工智障”。如果屆時有量子計算機問世，同時開發相配套的量子算法，將會使得機械學習訓練的時間大幅縮短，人工智能的應用場景也將會更加豐富，在智慧城市、大數據分析和金融模型開發等方面都將大有可為。

3.5? 在軍事領域的應用

在軍事領域，如有效利用量子糾纏原理，或許會制造出具備顛覆性打擊功能的量子武器。根據研究表明，在量子物理學攻關、試驗成功后，至少可生產如下武器：一是重力波炮。由于在宇宙中缺乏媒介，聲波或沖擊波等波無法在沒有介質的情況下傳播，因此，傳統的爆炸性武器（甚至包括核武器）在缺乏媒介的情況下，毀傷效果將變差。而重力波則不受這個限制，重力波的傳播不受傳播介質數量多少的限制，因此在宇宙中仍然有很強的毀傷效果;二是反物質武器。根據量子力學推論，宇宙中存在由反粒子組成的反物質，當“正物質”與“反物質”相遇時，就會發生湮滅效應，釋放出巨大的能量?？茖W家設想根據此效應制造反物質武器，如成功問世，毀傷效能將遠勝于當前的氫彈和原子彈;三是人造重力場，其實就是一個人造黑洞，任何物質只要碰上重力場發生器，其自身就會立即被撕碎，瞬間化為烏有。此外還有能夠抵抗幾乎所有物理攻擊的防護性武器——量子防護罩[3]。

4? 結? 論

量子技術的發展是未來科技的一個大方向，很有發展前景，但是其未知性和破壞性也足以令我們提高警惕，如何合理利用量子技術為人類造福，將是以后要進一步深入研究的重大課題[4]。

參考文獻：

[1] 葉明勇，張永生，郭光燦.量子糾纏和量子操作 [J].中國科學（G輯：物理學 力學 天文學），2007（6）：716-722.

[2] 潘建偉，姜俊芳.世界首顆量子衛星——開啟量子通信新時代 [J].中國科技獎勵，2016（8）：76-77.

[3] 張皓泊.量子通信與量子計算 [J].中國新技術新產品，2018（20）：78-79.

[4] 孫立華.威力超群的量子武器 [J].百科知識，2016（15）：32-33.

作者簡介：徐成（1987.12-），男，漢族，甘肅白銀人，碩士研究生，講師，研究方向：機電一體化、通信工程、軍事職業教育等。