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新闻热词·量子通信
编辑:范秀林     2016-08-16 11:16:09       来源:本网综合

  16日凌晨,被命名为“墨子号”的中国首颗量子科学实验卫星开启星际之旅。它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命,并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。

  量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,近来这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

量子通信:“不可拦截”的秘钥

量子科学实验卫星的另一个任务是进行量子通信实验,这是量子纠缠应用领域中比较接近现实的一个。它的要点是特别安全,传统窃听手段原则上对量子通信没有用。加密的信息好比上了锁的箱子,用特定的钥匙才能打开。以当前的加密技术,只要付出足够的努力,钥匙理论上是可以拦截到的,只看效率高不高罢了。

而量子纠缠则提供“不可拦截”的钥匙。做法是并不刻意防止别人窃取钥匙,而是一旦有人这么干,通信双方必然能察觉。量子卫星制造两个纠缠的光子,分别发给通信的双方。双方对各自接收到的光子进行随机检测,用明文通信对比检测结果,看看两个光子是不是纠缠的。如果有人中途拦截光子,其观察行为会破坏纠缠状态,让钥匙作废——你偷呗,偷到就没用了,我换把新钥匙。

从理论到实践尚有很多技术困难,但总的来说,量子通信还是比传统通信要安全得多,可能会给加密技术带来革命性的变化。近年来量子通信已经有一些小规模应用,中国发射这颗卫星是要率先搞个大动作,着手建设全球范围的量子通信网。有外媒评论说,这是“将顶尖研究转化为中国的全球力量战略资产的一个里程碑”。

在量子通信的国际赛跑中,中国属于后来者。经过多年的努力,中国已经跻身于国际一流的量子信息研究行列,在城域量子通信技术方面也走在了世界前列,建设完成合肥、济南等规模化量子通信城域网,“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也即将竣工。

  量子纠缠:爱因斯坦的纠结

  量子是物理世界里事物的最小份额。在数学上,你尽可以把东西分成一半又一半,没完没了地缩小下去,但物理的东西不能比一个量子更小了,不妨说整个世界都是量子组成的。

  量子论作出的许多预测都得到了验证,没有量子论,就理解不了半导体材料的原理,造不出微小的晶体管,不会有集成电路,也就不会有电脑、手机和网络。

  量子论的地位早已稳固,有一大堆物理学家靠它吃饭,但量子世界的某些根本问题,仍是他们共同的困扰。其中最要紧的一个,就是令爱因斯坦纠结多年、今天大家还在纠结的“超距作用”,它正是量子通信的基础,也是量子科学实验卫星要检验的问题,其正式称谓是“纠缠”。

六个问与答带你了解神奇的量子世界

问:量子究竟是什么?

答:量子是构成物质的基本单元,是能量的最基本携带者,不可再分割。比如,光子是光能量的最小单元,不存在“半个光子”,同理,也不存在“半个氢原子”“半个水分子”等等。量子世界中有两个基本原理:

——量子叠加,就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。

——量子纠缠,类似孙悟空和他的分身,二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态,不论分离多远,对其中一个粒子的量子态做任何改变,另一个会立刻感受到,并做相应改变。

问:世界上真有“绝对安全”的通信吗?

答:这得先说说通信中信息是如何被窃取的。传统光通信是通过光的强弱变化传输信息。从中分出一丁点光并不影响其他光继续传输信息,测量这一丁点光原理上就能窃取信息。

量子通信则完全不同!窃听者如果想拦截量子信号,并对其进行测量,将不可避免地破坏携带密钥信息的量子态。根据量子“测不准定理”,这种破坏必然会被信息发送者和接收者所发现。

是否可以不破坏传输的量子态,只截取并复制,再继续发送?这已被“量子不可克隆定理”完全排除,于是也就保证了量子通信的绝对安全。

问:“量子态隐形传输”意味着能实现《星际迷航》里的瞬间移动吗?

答:“量子态隐形传输”是基于量子叠加和量子纠缠的特性,就是甲地某一粒子的未知量子态,可以在乙地的另一粒子上还原出来。其实传输的是粒子的量子态,而不是粒子本身。这种状态传送的速度上限仍然是光速,也不是“瞬间移动”。

现在,在光子、原子等层面已经实现了量子态隐形传输。电影里“大变活人”在原理上是允许的,但目前还远远做不到。因为科幻电影里人的传送,不仅需要把人的实体部分的大量原子、分子传送,并且严格按照原来的相对位置重新排列起来,更何况重现意识和记忆就更复杂了。

不过,随着科学的发展和技术的进步,也许未来我们还是可以实现人的量子隐形传态,到那时星际旅行就不是梦啦。

问:将来机器会不会像《变形金刚》里一样被装上量子大脑,从而取代人类?

答:所谓量子大脑,其实就是当今正在研制中的量子计算机。未来的量子计算机可能会对人工智能起到极大的帮助,在数据搜索、分析和处理方面提供远远超过目前经典计算机的运算能力。

机器人都是预先设置好程序的,而人是有意识和自由意志的。研究发现,人脑中的思维机制与量子叠加、量子纠缠或许存在相似之处。所以也有学者认为,未来可望创造出与人脑一样运行的人工智能机器人。真到这种程度,机器与生物之间的界限已经非常模糊。这目前还只是一种畅想,未来究竟怎样还得拭目以待。

问:量子技术什么时候才能“飞入寻常百姓家”?

答:量子通信目前已经实现在金融、政务系统等中的使用。要让每个人都用上,乐观的话需要10到15年。这需要对网络基础设施进行改造,还涉及到标准制定。到时候,个人的网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号,“棱镜门”那样的泄密事件也不会发生了。

而量子计算目前仍然处于基础研究的阶段,前进道路上还面临着巨大的挑战,不知道在二、三十年的时间内能否实现初步应用。一旦取得进展,其意义将是极其重大的。

问:量子科学和技术究竟将带来一个怎样的未来?

答:量子科学和技术其实已经在方方面面影响着我们的日常生活。我们目前正在广为使用的计算机、手机、互联网、时间标准和导航,包括医院里的磁共振成像等等,无一不得益于量子科学和技术。

用发展的眼光看,随着微纳加工、超冷原子量子调控等技术的不断进步,人类将能够制备出越来越复杂、功能越来越强大的各种人造量子系统,例如包括量子计算机芯片在内的各种量子电路,其功能和信息处理能力将远远超过我们目前正在使用的经典芯片,并且更加节能;再如可望制备出达到量子极限的能量收集和转换器件,将引发能源变革;也有望大幅提升对时间、位置、重力等物理量超高精度的测量,不仅实现超高精度的潜艇定位、医学检测等,也将加深对物理学基本原理的认识。

量子通信的发展

2011年,中科院正式启动全球首颗“量子科学实验卫星”的研制,这既意味着中国科学家率先向星地量子通信发起挑战,更意味着中国或将领先欧美获得量子通信覆盖全球的能力。

为了让量子通信从理论走到现实,从上世纪90年代开始,国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来,美国国家科学基金会和国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究,欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究,研究项目多达12个,日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究,近几年来,中国科学技术大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。

2003年,韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案,彻底解决了真实系统和现有技术条件下量子通信的安全速率随距离增加而严重下降的问题。

2006年夏,我国中国科学技术大学教授潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学—维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案,同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验,由此打开了量子通信走向应用的大门。

2008年底,潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统,在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网,成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一(另一小组为欧洲联合实验团队)。

2009年9月,潘建伟的科研团队正是在3节点链状光量子电话网的基础上,建成了世界上首个全通型量子通信网络,首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平,标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。

全通型量子通信网络是一个5节点的星型量子通信网络,克服了量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化的主要技术障碍,首次实现了两两用户间同时进行通信,互不影响。该网络用户间的距离可达20公里,可以覆盖一个中型城市;容纳了互联互通和可信中继两种重要的量子通信组网方式,并实现了上级用户对下级用户的通信授权管理。

该成果首次全面展示和检验了量子通信系统组网和扩展的能力,标志着大规模可扩展网络量子通信技术的成熟,将量子通信实用化和产业化进程又向前推进了一大步。据称,潘建伟团队将与中国电子科技集团公司第38研究所等机构合作,在合肥市及周边地区启动建设一个40节点量子通信网络示范工程,为量子通信的大规模应用积累工程经验。

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