【導(dǎo)讀】拋棄宏觀世界的一切“常識(shí)”，掙脫由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)筑的枷鎖，保持“腦洞大開(kāi)”的 狀態(tài)，文科生也要“咬牙堅(jiān)持”，相信我，這一次你會(huì)發(fā)現(xiàn)量子通信的真相！
1月8日，2015年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)被頒給了這樣一個(gè)項(xiàng)目：“多光子糾纏及干涉度量”。該項(xiàng)目由中國(guó)科技大學(xué)潘建偉院士帶隊(duì)，彭承志、陳宇翱、陸朝陽(yáng)、陳增兵共同完成。
獎(jiǎng)項(xiàng)頒出后，各類(lèi)科普文章紛紛出爐。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，多光子糾纏及干涉度量就是根據(jù)量子物理原理提供的一種全新方式，對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和邏輯操作，并對(duì)光子、原子等微觀粒子進(jìn)行精確操縱，以確保通信安全和提升計(jì)算速度等方面可以突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。
但是要真正理解這段話，并不容易。第一個(gè)問(wèn)題就是，量子物理原理是什么？
在推開(kāi)神奇量子世界的大門(mén)前，你需要輕裝上陣：拋棄掉你在宏觀世界所獲得的一切“常識(shí)”，掙脫掉那些由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)筑的枷鎖，保持“腦洞大開(kāi)”的狀態(tài)，并隨時(shí)準(zhǔn)備接受各種“這怎么可能？”
然后，開(kāi)始吧。
第一站：波粒二象性——看與不看很重要
量子，是能量的最小單位。中國(guó)科技大學(xué)近代物理教授陳宇翱說(shuō)過(guò)，微觀粒子都是量子，我們?cè)诔踔谢瘜W(xué)書(shū)上接觸過(guò)的原子、電子和光子，均屬量子大家庭?？梢哉f(shuō)，整個(gè)世界，都是由量子組成的。不過(guò)，由于量子太小了，對(duì)絕大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，它是“最熟悉的陌生人”。
微觀粒子，有個(gè)神奇的屬性，叫作波粒二象性。
雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。想象一下，你手中有一臺(tái)電子發(fā)射器，面前擺著一個(gè)開(kāi)了兩條縫隙的隔板，隔板后放置了一塊屏幕。當(dāng)你打出的電子足夠多，屏幕上應(yīng)該出現(xiàn)什么景象？
如果電子是粒子，那么屏幕上應(yīng)該出現(xiàn)兩條條紋——電子隨機(jī)選擇穿過(guò)兩條縫隙中的哪一條，并在屏幕上留下痕跡。然而，現(xiàn)實(shí)情況卻是，屏幕上留下了明暗相間的多條“干涉條紋”。研究這些條紋的分布后，人們驚訝地發(fā)現(xiàn)，光子似乎在穿過(guò)縫隙時(shí)，具有某種“波”的特性。也就是說(shuō)，它并非在兩條縫隙中選擇了一條穿過(guò)，而是以“波”的形式，同時(shí)穿過(guò)了兩條縫隙，并且自己與自己發(fā)生了干涉——如果一條波的波峰恰好遇到另一條波的波谷，亮度剛好抵消掉，形成了屏幕上的“暗處”。
但是，電子又明明白白展現(xiàn)出粒子的特性。當(dāng)我們逐個(gè)發(fā)射電子時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，電子穿過(guò)隔板縫隙后，會(huì)在感應(yīng)屏上的某個(gè)位置打出一個(gè)亮點(diǎn)。只是它的分布符合干涉條紋的分布規(guī)律：落在亮區(qū)的概率高，落在暗區(qū)的概率低。
為什么？科學(xué)家給出了一個(gè)大膽的解釋?zhuān)涸谧采细袘?yīng)屏之前，無(wú)人干擾，電子確實(shí)以波的方式，穿過(guò)了兩道狹縫；但一旦它撞上了感應(yīng)屏，波函數(shù)立刻坍縮成為一個(gè)點(diǎn)。
感應(yīng)屏在這里，扮演了“觀測(cè)者”的角色。換個(gè)說(shuō)法——電子呈現(xiàn)出什么狀態(tài)，取決于“觀測(cè)”。
觀測(cè)很重要嗎？左看右看上看下看，那個(gè)女孩都不簡(jiǎn)單?。靠墒窃谖⒂^的粒子世界，任何一種介入，都會(huì)對(duì)測(cè)量對(duì)象產(chǎn)生致命干擾。你永遠(yuǎn)無(wú)法得到一個(gè)粒子的全部信息——當(dāng)你知道了它的位置，它的速度也因?yàn)槟愕?ldquo;知道”而發(fā)生了改變——這也是鼎鼎有名的“不確定性”原理。
第二站：量子糾纏——逆天的心靈感應(yīng)
帶著一點(diǎn)朦朧的感悟，我們繼續(xù)上路。
疊加態(tài)，如同孫悟空的分身術(shù)。因?yàn)橛兄?2分身，孫悟空可以同時(shí)既在此地，又在彼方。但是，如果唐僧想看清孫悟空究竟在哪里，這調(diào)皮美猴王的所有分身都會(huì)隨機(jī)消失，只留下一個(gè)。
講到這里，量子糾纏的概念就該登場(chǎng)了：相互獨(dú)立的粒子可以完全“糾纏”在一起，對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行觀測(cè)可以即時(shí)影響到其它粒子，無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。
著名科學(xué)家愛(ài)因斯坦對(duì)此無(wú)法接受，稱(chēng)其為“幽靈般的超距作用”。
要繼續(xù)開(kāi)始想象了：現(xiàn)在有一個(gè)大粒子衰變成了兩個(gè)小粒子，它們倆關(guān)系不和，朝著相反的方向飛開(kāi)去。假設(shè)這種粒子有兩種可能的自旋——“左旋”和“右旋”。根據(jù)總體守恒，如果粒子a為左旋，那么b一定為右旋；反之亦然。
可是，在我們沒(méi)有對(duì)a和b進(jìn)行觀測(cè)之前，它們的狀態(tài)都是不確定的，每個(gè)粒子都處于一種左/右可能性的疊加態(tài)。
接下來(lái)，出現(xiàn)的就是連愛(ài)因斯坦都無(wú)法理解的一幕了——一旦我們觀測(cè)粒子a，它的波函數(shù)瞬間坍縮，并隨機(jī)選擇了一種狀態(tài)——比如說(shuō)“左旋”；此時(shí)，盡管已經(jīng)和a相距遙遠(yuǎn)，粒子b的狀態(tài)也就瞬間確定了——它是“右旋”。
就算這兩粒子分別處于宇宙的兩端，它們同樣可以保持這樣可怕的“默契”——一旦你隨機(jī)選擇了左，那我一定會(huì)選擇右。任何所謂的心靈感應(yīng)，都比不上“量子糾纏”來(lái)得深刻。
第三站：量子隱形傳態(tài)——一場(chǎng)“神奇變變變”
終于，我們接下來(lái)要進(jìn)入核心景點(diǎn)了——如果，我要在兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子之間通信呢？
此時(shí)，我們制備出了處于量子糾纏狀態(tài)的光子α和光子β，并且把α給了身在北京的甲，把β給了身在上海的乙。我們實(shí)際上想傳遞的東西，是光子γ。
首先，我們讓光子α和光子γ產(chǎn)生干涉，并記錄下干涉結(jié)果；然后，甲需要用經(jīng)典通信的方式，比如打電話、發(fā)短信、傳電子郵件等，告訴乙這一結(jié)果。
拿到結(jié)果之后，我們就可以期待一場(chǎng)“光子變身秀”了。乙會(huì)操作一種叫作波片的東西，把β變成γ。
什么？這是什么意思？不要慌，可以這么理解：α和β處于糾纏態(tài)；所以當(dāng)α和γ發(fā)生干涉時(shí)，γ和β也就自動(dòng)具有某種關(guān)系了；甲告訴乙α和γ的干涉結(jié)果，其實(shí)是告訴乙，β和γ應(yīng)該具有怎樣的關(guān)系。于是，乙通過(guò)“反推”，就能將β變成γ。
請(qǐng)注意，量子隱形傳態(tài)，并沒(méi)有真正傳遞出去了什么東西，而是一場(chǎng)“神奇變變變”。在這場(chǎng)“通信”中，α和β都是為了主角γ而犧牲的“炮灰”。最終目的，是讓β成為γ，讓乙能夠獲得有關(guān)γ的一些信息。
但是，目前能用量子隱形傳態(tài)傳輸?shù)臇|西相當(dāng)有限。獲評(píng)2015年年度國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域十項(xiàng)重大突破之首的，是潘建偉和陸朝陽(yáng)等人的科研項(xiàng)目“多自由度量子隱形傳態(tài)”。這項(xiàng)工作的突破性，在于它首次傳送了光子的兩個(gè)性質(zhì)——“自旋”和“軌道角動(dòng)量”。
真正的應(yīng)用，確實(shí)任重道遠(yuǎn)。
第四站：量子密鑰分發(fā)——不可竊聽(tīng)，絕對(duì)安全
不過(guò)，量子通信技術(shù)實(shí)用化的景點(diǎn)大門(mén)已經(jīng)打開(kāi)，率先走進(jìn)去的，叫作“量子保密通信”。它與經(jīng)典通信最為不同的地方在于，用量子的方式來(lái)傳送密鑰。
潘建偉在2015年中國(guó)計(jì)算機(jī)大會(huì)上作過(guò)一次演講。他表示，信息科學(xué)方面有信息安全的瓶頸：用芯片可能有后門(mén)，用光纖可能遭到無(wú)感竊聽(tīng)；就算我們把信息進(jìn)行加密，但隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)上認(rèn)為難以破解的東西，可能成了窗戶紙，一捅就破。
不過(guò)，如果我們用量子的方式傳送密碼，就不存在這個(gè)問(wèn)題了。
中科大量子信息實(shí)驗(yàn)室博士趙義傅在接受媒體采訪時(shí)介紹，量子密鑰分配是把一個(gè)信息編碼在一個(gè)光子上，一個(gè)光子有著不同的量子態(tài)，代表著0和1；把光子通過(guò)光纖發(fā)射過(guò)去，接收方接到密鑰后進(jìn)行解碼。
前面我們已經(jīng)說(shuō)過(guò)，一個(gè)量子的狀態(tài)是未知的，根據(jù)“不確定性原理”，我們無(wú)法獲得一個(gè)量子的所有狀態(tài)信息，因此，量子也就無(wú)法被準(zhǔn)確測(cè)量和精確復(fù)制；而量子不可能繼續(xù)分割，竊聽(tīng)者也就不可能把它分成兩半，一半拿走，一半傳給運(yùn)輸方；更絕的是，在這一傳輸過(guò)程中，一旦有人竊聽(tīng)，微小的光子立刻就能做出反應(yīng)——因?yàn)樵诹孔映叨壬?，竊聽(tīng)者的存在感實(shí)在太強(qiáng)了！
所以，量子保密通信的安全性，能夠得到極大保證。如今，量子保密通信甚至被資本市場(chǎng)稱(chēng)為“下一個(gè)萬(wàn)億藍(lán)海”。
現(xiàn)在，我們已經(jīng)在量子通信世界游覽了四個(gè)景點(diǎn)，鑒于腦細(xì)胞死傷無(wú)數(shù)，這段旅程也就告一段落。
在宏觀世界里，我國(guó)遠(yuǎn)距離量子通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項(xiàng)目正在建設(shè)之中，預(yù)計(jì)將于2016年建成；同樣是2016年，我國(guó)還將發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星，預(yù)計(jì)完成三大任務(wù)：衛(wèi)星和地面絕對(duì)安全量子密鑰分發(fā)、驗(yàn)證空間貝爾不等式和實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間隱形傳態(tài)。
下一次，再進(jìn)入量子通信的世界，看點(diǎn)將越來(lái)越來(lái)多了。
