聽起來,這并不像是一個復(fù)雜的實驗:位于北京八達(dá)嶺長城腳下的送信者,要向站在河北省張家口市懷來縣的收信者發(fā)出一段信息。 　　這段距離僅有16公里,在晴朗的白天,他們彼此甚至目力可及。只是,這并不是一封信、手機(jī)短信或電子郵件,而是好像“時鐘指針”一樣表示著量子運動狀態(tài)的量子態(tài)。
　　這已經(jīng)是量子態(tài)目前在世界上跑出的最長距離。6月1日,世界頂級科學(xué)刊物《自然》雜志的子刊《自然?光子學(xué)》以封面論文的形式,刊登了這項成果:一個量子態(tài)在八達(dá)嶺消失后,在并沒有經(jīng)過任何載體的情況下,瞬間出現(xiàn)在了16公里以外。實驗的名稱叫做自由空間量子隱形傳態(tài),由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與清華大學(xué)組成的聯(lián)合小組完成。
　　美國國際科技信息網(wǎng)站盛贊,這一成果代表著量子通信應(yīng)用的巨大飛躍。
　　
　　想要給大家都講明白
　　實在是一件痛苦的事
　　
　　這確實是一個難以令人理解的研究領(lǐng)域,面對抱著巨大好奇心的公眾,研究者不禁感到苦惱,“ 想要給大家都講明白實在是一件痛苦的事”。
　　早在3年前,中科大前校長朱清時院士在形容負(fù)責(zé)組建聯(lián)合小組的中科大教授潘建偉時也聲稱,潘在量子通信領(lǐng)域的工作“對于一般人來說是難以理解的”,“不然會感到更強(qiáng)的震撼力”。
　　一切還要從量子說起。量子是不可分的最小能量單位,“光量子”就是光能量的最小單位。
　　在奇特的量子世界里,量子存在一種奇妙的“糾纏”運動狀態(tài)。中科大量子信息實驗室教授彭承志愿意將一對糾纏狀態(tài)下的光子比做有著“心電感應(yīng)”的兩個粒子。再用個更貼切的比喻,糾纏光子就好像一對“心有靈犀”的骰子,甲乙兩人身處兩地,分別各拿其中一個骰子,甲隨意擲一下骰子是5點,與此同時,乙手中的骰子會自動翻轉(zhuǎn)到5點。
　　事實上,乙甚至根本不需要知道也不能查看自己手中究竟握著幾點。因為在物理學(xué)上,每一次對糾纏光子的測量都會破壞原有的狀態(tài),“就像冰淇淋,你必須嘗一口才知道它的味道。但當(dāng)你嘗了一口時,冰淇淋就已經(jīng)發(fā)生改變�！币粋�專業(yè)人士這樣解釋。
　　因此,甲只需要通過電話、短信等渠道告訴乙,自己剛剛擲出了5點。乙即便不用攤開手掌,也可以知道自己手邊這個“心電感應(yīng)”的骰子也成了5點。
　　這聽起來就像一場魔術(shù)表演。只是,甲和乙之間傳送的只是類似“轉(zhuǎn)成5點”之類的信息,而不是實物。
　　
　　這是目前量子態(tài)在自由空間中隱形傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離
　　
　　這段16公里的旅程創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄,這是目前這個星球中量子態(tài)在自由空間中所能隱形傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。
　　事實上,在量子態(tài)隱形傳輸經(jīng)歷的漫長旅程中,每一點距離的進(jìn)步都可以被視為一座里程碑。1997年年底,位于奧地利的蔡林格研究小組首次在實驗平臺上幾米的距離內(nèi)成功地進(jìn)行了這一實驗。
　　雖然當(dāng)時的傳輸距離僅達(dá)數(shù)米,但美國《科學(xué)》雜志卻將其列為該年度全球十大科技進(jìn)展�！犊茖W(xué)》雜志的評語是:“盡管想要看到《星際旅行》中‘發(fā)送我吧’這樣的場景,我們還得等上一些年,但量子態(tài)隱形傳輸這項發(fā)現(xiàn),預(yù)示著我們將進(jìn)入由具有不可思議的能力的量子計算機(jī)發(fā)展而帶來的新時代�！�
　　科幻電影《星際旅行》至今仍在科幻娛樂史上排名榜首。它講述了人類的夢想:宇航員在特殊裝置中平靜地說一句,“發(fā)送我吧,蘇格蘭人”,他就會瞬間轉(zhuǎn)移到外星球。在經(jīng)典游戲“暗黑破壞神”中,女巫角色的技能是“瞬間轉(zhuǎn)移”。只要施展這個魔法,女巫就會伴著一道閃光消失,并出現(xiàn)在任意一個想去的地方。
　　“這種現(xiàn)象,與量子態(tài)隱形傳輸很類似�！币晃宦�(lián)合小組成員謹(jǐn)慎地選擇著用詞。當(dāng)然,它們并不相同。在這項實驗中,被傳輸?shù)氖切畔⒍�并非實物�?
　　1999年,蔡林格研究小組的論文又與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論等重大研究成果一起,被英國《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。而就在那時,這篇論文作者欄中一個26歲的年輕人,就是當(dāng)時在奧地利維也納大學(xué)從事研究工作的潘建偉。
　　不過接下來,發(fā)展并不算順利。直到2004年,蔡林格小組才利用多瑙河底的光纖信道,將量子隱形傳態(tài)距離提高到600米。
　　這次中國的實驗在技術(shù)上有了重大創(chuàng)新,光子在傳播過程中會因偏振而引起變化,聯(lián)合小組的科學(xué)家們對此進(jìn)行了“正反饋”,即用簡單的光學(xué)器械控制住光子的偏振態(tài),使這次實驗的保真度最終達(dá)到了89%。也就是說,“盡管不能正確無誤地發(fā)送每一個碼,但信息是可以傳送的”。
　　“如果地點允許,我們本來希望能達(dá)到20公里�！甭�(lián)合小組成員、清華大學(xué)物理系副研究員蔣碩覺得很遺憾。他在一間窗臺上生長著翠綠爬藤的辦公室里接受了記者的采訪。
　　隨著高度增加,空氣也會變得更加稀薄。所以,地表10公里的空氣密度,基本相當(dāng)于從地球到外層空間幾十公里距離的空氣密度�！�20公里的傳送距離,就表明光子可以在地表與外層空間衛(wèi)星間打一個來回。”這也就意味著量子信息可以通過衛(wèi)星在不同地區(qū),甚至國家間傳遞。
　　可在野外實驗,狀況卻無法保證同實驗室里一樣理想而精確。最終,因為位置便利,研究者們將“秘密基地”分別設(shè)在八達(dá)嶺長城腳下與河北懷來的兩家小旅館,地理距離16公里。
　　為了用激光為量子態(tài)傳輸打出一個光鏈路,他們的實驗大多在其他人沉入夢鄉(xiāng)的夜晚進(jìn)行。光鏈路是為了幫助隨后分發(fā)的光量子“探路”。那些已經(jīng)睡著了的人并不知道,這群在半夜里還擺弄著有點嚇人的綠色激光的年輕人,也正在實現(xiàn)這個世界全新的通信夢想。
　　“盡管我們只傳送了16公里,但這在科學(xué)上證明了量子信息的遠(yuǎn)距離傳輸是可行的,也意味著量子信息通過衛(wèi)星進(jìn)行傳遞有可能實現(xiàn)�！笔Y碩說。
　　
　　為了防御一個還未出現(xiàn)的威脅
　　
　　這些站在科學(xué)領(lǐng)域最前沿的中國物理學(xué)家明白,進(jìn)行量子通信研究,除了能夠?qū)崿F(xiàn)隱形傳態(tài)這種奇妙的物理現(xiàn)象以外,還能夠?qū)崿F(xiàn)更重要的使命,那就是防御一種“還未出現(xiàn)的威脅”。
　　威脅來自尚未被成功發(fā)明的量子計算機(jī)。早在上個世紀(jì),科學(xué)家們就已經(jīng)開始設(shè)想,用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象,從而大幅度減少運算時間。如果將未來的量子計算機(jī)比做大學(xué)教授,今天所謂超級計算機(jī)的能力甚至還比不上剛上幼兒園的小班兒童。
　　你可以想象這樣一個驚人的對比:現(xiàn)在對一個500位的阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行因子分解,目前最快的超級計算機(jī)將耗時上百億年,而量子計算機(jī)卻只需大約幾分鐘。
　　“一旦哪個瘋子發(fā)明出來量子計算機(jī),他就可以攻破所有的密碼�！笔Y碩指出了這個可怕的威脅。事實上,現(xiàn)在通用的加密方式并非如想象般安全,它們都有破譯的方法,只不過由于現(xiàn)有計算機(jī)運行能力的限制,破譯一個密鑰可能要耗費上萬年,甚至上百萬年。
　　如果量子計算機(jī)出現(xiàn),我們目前自以為安全的一切將不堪一擊。那將是一個超級神偷,可以偷走現(xiàn)代文明中人們賴以生存的一切――銀行存款、網(wǎng)絡(luò)信息。它也足夠沖破軍事或安全系統(tǒng),調(diào)轉(zhuǎn)導(dǎo)彈的軌道,令整個國家陷入混亂與災(zāi)難。因此,沒有人敢懈怠,“這并不是一項杞人憂天的研究。所有的防御必須出現(xiàn)在進(jìn)攻之前�！泵绹�科學(xué)家的預(yù)言就像一個倒計時牌,“量子計算機(jī)可能將在50年之后出現(xiàn)。”
　　因此,“只有采用量子信息才是安全的,必須占據(jù)先機(jī)。”這樣,一切“竊聽手段”將失去原有的意義。如果一個間諜想要收集情報,他必須竊取發(fā)送途徑中的光子,經(jīng)過測量后再次傳給接收者。但因為光子對的糾纏特性,這樣的竊取就會被發(fā)現(xiàn),“就像被嘗過的冰淇淋一樣”。
　　當(dāng)然,眼下這只是一場看不見對手的戰(zhàn)爭�！叭绻麤]有量子計算機(jī)這支矛,量子信息這面盾就發(fā)揮不出作用�！笔Y碩說。他同時也認(rèn)為,即便技術(shù)成熟,“如果量子計算機(jī)沒有出現(xiàn),并沒必要進(jìn)行大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)換代”。
　　然而,這篇論文發(fā)表后,蜂擁而至的報道和議論卻讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),公眾似乎誤解了自由空間量子隱形傳態(tài)的真正意義,“很多人都認(rèn)為,這個實驗的成功代表著超時空穿越可能實現(xiàn)。”
　　顯然,能夠傳遞一組信息并不意味著已經(jīng)可以傳遞實物�！拔覀儗κ澜绲牧私馊匀徊粔蛲笍��！币晃谎芯空哒f�？茖W(xué)家們現(xiàn)在還不知道應(yīng)該如何通過隱形傳輸?shù)姆绞絺魉蛯嵨?“我們曾經(jīng)以為世界上最小的是原子,可是后來發(fā)現(xiàn)原來里面還有質(zhì)子和中子。然而,沒有人知道質(zhì)子和中子是否還能被繼續(xù)拆分。更何況想要傳送一個生命體,又該如何處理他復(fù)雜的腦電活動呢?”
　　“目前我們實現(xiàn)的僅僅是單光子量子態(tài)的隱形傳輸,在未來有可能實現(xiàn)復(fù)雜量子系統(tǒng)的量子態(tài)隱形傳輸,但距離宏觀物體的量子態(tài)隱形傳輸還具有非常遙遠(yuǎn)的距離。”彭承志說。
　　也許,正是“非常遙遠(yuǎn)的距離”帶給了人們遐想。畢竟,曾經(jīng)實驗臺上量子態(tài)只能前行幾米,而今,它已經(jīng)可以穿越16公里。將來,它還可能在星球之間傳遞。
　　“科技發(fā)展的速度有多快誰能知道呢?”一位參加這項研究的科學(xué)家說,“就好像打算盤時的人們永遠(yuǎn)想不到,在不久的將來,人類發(fā)明出了每秒運行幾千億次的電子計算機(jī)�！�
　　(6月23日《中國青年報》,作者為該報記者)

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