發(fā)文人 虞涵棋
量子是什么東西？這個(gè)問法的出發(fā)點(diǎn)可能就錯(cuò)了。
量子力學(xué)的深?yuàn)W是大家所公認(rèn)的。我們經(jīng)常調(diào)侃有些影視作品在科幻問題上“遇事不決，量子力學(xué)”，連“不自量力”這個(gè)舊詞也被人新解為“不要試圖自學(xué)量子力學(xué)”。
量子力學(xué)確實(shí)很難以我們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)驗(yàn)和觀察來理解。但這不妨礙我們抽象地領(lǐng)會(huì)關(guān)于量子力學(xué)一些最核心的內(nèi)涵，形成最基礎(chǔ)的“量子化思維”。
為什么很難用日常思維來理解？1900年，當(dāng)人們歡慶經(jīng)典物理學(xué)大廈已經(jīng)基本落成，美麗而晴朗的天空中只剩下兩朵“烏云”。后來，這兩朵“烏云”一朵演化成了描述宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的廣義相對(duì)論，一朵演化成了描述宇宙微觀世界的量子力學(xué)。在極大和極小的尺度里，我們熟悉的經(jīng)典物理學(xué)都不適用，呈現(xiàn)出許多陌生的奇景。
回到開頭那個(gè)問題。正是因?yàn)榱孔恿W(xué)是描述微觀世界的理論，很多人會(huì)誤以為量子像原子、質(zhì)子、電子、光子一樣，是特指某種微小的粒子。
量子是什么東西？其實(shí)，量子不是某個(gè)特定的東西，一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。
同樣是在1900年，普朗克為解決其中一朵“烏云”提出了量子這個(gè)假設(shè)。意為能量存在一個(gè)最小的單位，是“一份份”存在的。有一份能量，有兩份能量，但沒有半份能量。
1900年，普朗克提出了量子概念。
也就是說，量子像是“1”一樣的單位。這個(gè)物理概念本質(zhì)上是想描述一種離散性，一種不連續(xù)性。量子化的世界就像是還沒有學(xué)到分?jǐn)?shù)概念的小學(xué)一年級(jí)學(xué)生，只知道1、2、3、4地跳躍。
一個(gè)光子、一個(gè)電子、一個(gè)原子，當(dāng)然也是一份一份的，沒有半個(gè)光子、半個(gè)電子、半個(gè)原子的說法。因此，她們也具有量子化特性，可以視為量子。卻不能說，量子就是某種粒子。
奇妙的微觀世界
當(dāng)我們將目光聚焦到這么小的尺度上，就會(huì)發(fā)現(xiàn)許多與宏觀世界截然不同的奇妙現(xiàn)象。
很多人都聽說過“薛定諤的貓”。這個(gè)比喻就是想把微觀粒子的量子疊加態(tài)放大為常人易于理解的宏觀生死狀態(tài)。一個(gè)光子可以同時(shí)處于兩個(gè)狀態(tài)的疊加，而一旦對(duì)該光子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，她就會(huì)隨機(jī)坍縮到其中一種狀態(tài)。
而兩個(gè)光子之間建立起更為奇妙的量子糾纏。處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對(duì)其進(jìn)行測(cè)量），另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變，仿佛“心靈感應(yīng)”。
正因?yàn)榱孔恿W(xué)可以用來精準(zhǔn)地描述這些微觀世界的規(guī)律，我們研究半導(dǎo)體、激光、新材料等等顯然必須要用到這個(gè)工具。科學(xué)家們也可以在“螺螄殼里做道場(chǎng)”，利用一些只有在微觀世界才會(huì)出現(xiàn)的奇妙現(xiàn)象，操縱微觀粒子們實(shí)現(xiàn)一些用經(jīng)典物理學(xué)無法做到的任務(wù)。
中科院院士潘建偉表示，量子科技的具體應(yīng)用包括量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量三個(gè)領(lǐng)域。在量子通信領(lǐng)域，我國已處于國際領(lǐng)先地位。一方面要加快發(fā)展下一代廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，進(jìn)一步擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)；另一方面需要和用戶部門密切配合，特別是在安全性測(cè)評(píng)的基礎(chǔ)上推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，進(jìn)而推廣在國防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的應(yīng)用，將研究的優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)。
在量子計(jì)算領(lǐng)域，我國整體上與發(fā)達(dá)國家處于同一水平線。在量子精密測(cè)量領(lǐng)域，我國整體上相比發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距，但發(fā)展迅速。
那么，下面我們就來重點(diǎn)講一講近年來國內(nèi)發(fā)展很快、熱度很高的量子通信。
量子密碼
許多人會(huì)把量子糾纏誤當(dāng)做量子通信。但其實(shí)，現(xiàn)階段的量子通信通常是指“量子密鑰分發(fā)”（QKD）技術(shù)，沒有用到量子糾纏技術(shù)，更談不上“瞬間傳輸”。她的核心不在于通信，而在于生成一串密鑰。
1984年，當(dāng)時(shí)任職于IBM研究中心的本內(nèi)特（Charles H. Bennett）和當(dāng)時(shí)就職于蒙特利爾大學(xué)的布拉薩爾（Gilles Brassard）提出首個(gè)量子加密協(xié)議。基于兩位作者的姓氏首字母和發(fā)表年份，該協(xié)定也被人稱為“bb84”協(xié)議。
“bb84”協(xié)議構(gòu)想了一種基于量子力學(xué)的密鑰傳輸方法。我們假設(shè)有一個(gè)信息發(fā)送者Alice，她想發(fā)送一串由1和0組成的二進(jìn)制密鑰給信息接受者Bob，同時(shí)，還存在一位潛在的竊密者Eve。
在傳統(tǒng)通信渠道中，竊密者Eve可以截獲Alice傳來的密鑰，并復(fù)制給Bob。這樣，Bob并不會(huì)察覺到密鑰已經(jīng)被人竊聽了。
如果將隨機(jī)產(chǎn)生的密碼編碼在光子的量子態(tài)上，根據(jù)前文所述的疊加態(tài)特定，一個(gè)未知的量子態(tài)是不能“亂看”的，一旦被測(cè)量，就會(huì)隨機(jī)坍縮成其中一種狀態(tài)，等于被破壞了。只有使用雙方約定的“打開方式”，才能得到正確的密碼信息。因此，竊密者Eve無法復(fù)制出一模一樣的密鑰，一旦他竊取并試圖自行讀取量子密鑰，一定會(huì)被發(fā)現(xiàn)。
量子密鑰分發(fā)協(xié)議
潘建偉帶領(lǐng)的我國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“量子通信夢(mèng)之隊(duì)”基于“bb84”協(xié)議，在世界范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了量子保密通信的應(yīng)用。
從最早的安徽蕪湖及合肥城域網(wǎng)，到世界首條量子保密通信干線“京滬干線”，在過去十年里，若以鐵路公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施類比，國內(nèi)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從“地鐵網(wǎng)絡(luò)”到“高鐵網(wǎng)絡(luò)”的發(fā)展。
長三角、山東提出了覆蓋多個(gè)城市的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。海南自貿(mào)港也計(jì)劃建成天地一體量子通信環(huán)島網(wǎng)絡(luò)及量子通信國際業(yè)務(wù)總部。
相比起來，歐外國家的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)還在小規(guī)模的示范階段。
量子保密網(wǎng)絡(luò)的未來
雖然量子保密通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在國內(nèi)鋪開，但相關(guān)技術(shù)仍有很大的提高空間。一個(gè)核心挑戰(zhàn)就是突破距離限制。
要知道，量子力學(xué)原理決定了量子不可被克隆，這雖保障了量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)的安全性，卻也令加載著密鑰的光子無法像電信號(hào)一樣被增強(qiáng)。經(jīng)過長距離光纖傳輸后，光子必然會(huì)產(chǎn)生損耗。
全長2032公里的 “京滬干線”沿途了設(shè)置32個(gè)站點(diǎn)，采用的是“可信中繼”方案，即通過人工值守、網(wǎng)絡(luò)隔離等手段保障站點(diǎn)內(nèi)的信息安全。
這種“可信中繼”用經(jīng)典技術(shù)手段防止了鏈路節(jié)點(diǎn)入侵，但相對(duì)于量子通信可理論證明的安全性，中繼站還是“量子魔法”的斷點(diǎn)，不是“純量子鏈路”。
在最初的量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84問世之后，牛津大學(xué)的Artur Ekert曾在1991年提出了新協(xié)議E91，隨后在1992年又被Brassard等人加以改進(jìn)形成BBM92協(xié)議。這種新版本的量子密鑰分發(fā)無需中繼，神奇的量子糾纏終于發(fā)揮用途。
今年6月，“墨子號(hào)”衛(wèi)星正是宣布用這種方式在距離1120公里的青海德令哈和新疆南山間建立起量子密鑰。“墨子號(hào)”發(fā)射出一對(duì)對(duì)糾纏起來的光子，而德令哈和南山各有專門的望遠(yuǎn)鏡對(duì)糾纏光子進(jìn)行接收。只要使用相同的“打開方式”，如果一方讀出信息為“0”，另一方一定會(huì)讀出信息為“1”，那么，其中一方對(duì)“0”、“1”進(jìn)行互換，即可共享一串量子密鑰。而一旦雙方溝通部分密鑰，發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)很多，就是竊聽者留下的痕跡。這一過程中，衛(wèi)星只是負(fù)責(zé)分發(fā)糾纏，本身并不參與量子密鑰的產(chǎn)生，因此即使衛(wèi)星被他方控制，只要地面的雙方能夠驗(yàn)證糾纏的存在，就能夠保證密鑰的安全。
只不過，此次科學(xué)實(shí)驗(yàn)只是原理性驗(yàn)證，每個(gè)軌道只能傳送幾十個(gè)密鑰，尚無實(shí)用價(jià)值。
另一方面，用量子中繼器替代可信中繼，將是下一階段的研究重點(diǎn)。假設(shè)信息的接收方和發(fā)送方各有一個(gè)光子，他們?cè)俑髯耘沙鲆粋€(gè)與之糾纏的光子作為“中介”，讓兩個(gè)“中介”光子在中繼站點(diǎn)糾纏起來，那么兩者手中留下的光子也會(huì)形成糾纏關(guān)系。這過程中，還需要解決量子儲(chǔ)存、量子糾纏操作等復(fù)雜問題，學(xué)界普遍認(rèn)為真正應(yīng)用為時(shí)尚早。
因此，在歐美近年發(fā)布的量子通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)規(guī)劃中，量子中繼器和天基糾纏都被視為研發(fā)重點(diǎn)。
外國白宮國家量子協(xié)調(diào)辦公室今年公開的《外國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》提出，在未來5年內(nèi)將演示從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器到高通量量子信道和跨洲際距離的天基糾纏分發(fā)的量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)。未來20年遠(yuǎn)景則是量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備實(shí)現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新功能，同時(shí)促進(jìn)人類對(duì)糾纏作用的理解。
總投資10億歐元的歐洲量子旗艦計(jì)劃則在3年愿景中提到，利用QKD協(xié)議和可信節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)天基量子密碼；演示一個(gè)可作為未來量子中繼器構(gòu)成模塊的初級(jí)鏈路。中長期目標(biāo)（6～10年愿景）包括：利用量子中繼器演示800公里以上距離的量子通信；演示至少20個(gè)量子比特的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；演示利用衛(wèi)星鏈路產(chǎn)生糾纏等。
可以說，雖然我國在量子保密通信上先行了一步，但若要在未來保持優(yōu)勢(shì)，還需廣義上的量子信息技術(shù)的全面進(jìn)步。
責(zé)任編輯：李躍群
校對(duì)：丁曉
