“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立天地鏈路。

全球首個(gè)規(guī)模化量子網(wǎng)絡(luò)：合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)概貌

原標(biāo)題：量子糾纏記

可能很多人都有過(guò)類(lèi)似的經(jīng)歷：當(dāng)一個(gè)人想起另一個(gè)人的時(shí)候，對(duì)方卻能同時(shí)感覺(jué)到;突然感覺(jué)到有人要給自己打電話，結(jié)果電話很快就響了……

我們通常稱(chēng)之為“心靈感應(yīng)”，兩個(gè)人之間瞬間的信息傳遞就是如此微妙，只是長(zhǎng)期以來(lái)，我們要么認(rèn)為純屬巧合，要么干脆斥之為迷信、偽科學(xué)。

生活中的許多現(xiàn)象和奧秘，人類(lèi)暫時(shí)還無(wú)法解釋。好在，科學(xué)對(duì)一切未知的東西，并不輕易否定。

20世紀(jì)量子理論的出現(xiàn)，顛覆了人類(lèi)對(duì)微觀世界的很多看法。特別是量子糾纏理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)狀態(tài)發(fā)生變化，另外一個(gè)也會(huì)瞬間發(fā)生變化——這不就非常類(lèi)似于“心靈感應(yīng)”么?!

當(dāng)然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)不是為“心靈感應(yīng)”做驗(yàn)證。但基于量子糾纏理論的量子通信，解決了人類(lèi)保密通信的巨大難題。

2016年8月，中國(guó)成功發(fā)射“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。作為航天大國(guó)，中國(guó)幾乎每年都會(huì)成功發(fā)射幾顆衛(wèi)星，這次雖然不會(huì)再像當(dāng)年發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”那樣，出現(xiàn)舉國(guó)歡慶的激動(dòng)與興奮，但在國(guó)際上仍然引起很大轟動(dòng)。

“墨子號(hào)”是世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》曾評(píng)價(jià)，“國(guó)際同行們正在努力追趕中國(guó)，中國(guó)現(xiàn)在顯然是衛(wèi)星量子通信的世界領(lǐng)導(dǎo)者。”

量子通信是迄今唯一安全性得到嚴(yán)格證明的通信方式。

對(duì)保密通信的需求自古就有，且無(wú)處不在。大至國(guó)家安全、商業(yè)秘密，小至個(gè)人隱私，都無(wú)一例外地與此息息相關(guān)。

中學(xué)課本中有一篇大家熟知的課文《信陵君竊符救趙》，出自《史記·魏公子列傳》，講述魏公子信陵君盜魏王虎符、絞殺晉鄙、卻秦存趙的故事，其中解決問(wèn)題的死結(jié)，即中國(guó)古代的身份驗(yàn)證工具——虎符。

在中國(guó)古代，虎符乃兵甲之符，是古代皇帝授予將臣兵權(quán)和調(diào)兵遣將的信物。“虎符”分為左右兩半，需調(diào)兵時(shí)，由朝廷使者持右半符前往，軍隊(duì)長(zhǎng)官將右半符與左半符驗(yàn)合后，軍隊(duì)即按使者傳達(dá)的命令行動(dòng)。

古希臘斯巴達(dá)人使用的密碼棒，也許是人類(lèi)最早使用的文字加密解密工具：把長(zhǎng)帶子狀羊皮紙纏繞在圓木棒上，然后在上面寫(xiě)字;解下羊皮紙后，上面只有雜亂無(wú)章的字符，只有再次以同樣的方式纏繞到同樣粗細(xì)的圓木棒上，才能看出所寫(xiě)的內(nèi)容。

保密和竊密，自始至終糾纏不已。為了保密，人類(lèi)不得不在加密技術(shù)上不斷探索創(chuàng)新。從用紙筆或簡(jiǎn)單機(jī)械實(shí)現(xiàn)加解密的“古典秘法體制”，到莫爾斯發(fā)明電報(bào)實(shí)現(xiàn)加解密的“近代密碼體制”，再到以電子密碼催生的“現(xiàn)代密碼體制”，不斷攀升。

保密與竊密的攻防雙方，基本都是在加密、破譯的反復(fù)之中循環(huán)著。雖然機(jī)關(guān)算盡，但要確保保密通信萬(wàn)無(wú)一失，仍需絞盡腦汁。

現(xiàn)代密碼體制中，無(wú)論是對(duì)稱(chēng)密碼體制還是非對(duì)稱(chēng)密碼體制，其安全性都是基于數(shù)學(xué)的復(fù)雜性，與計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力相關(guān)聯(lián)。上世紀(jì)90年代，隨著量子算法的提出，人們意識(shí)到，量子計(jì)算機(jī)在并行運(yùn)算上的強(qiáng)大能力，使它能快速完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的計(jì)算，一旦研制成功，將對(duì)現(xiàn)行所有密碼體制造成嚴(yán)重威脅。這話聽(tīng)起來(lái)不免讓人膽戰(zhàn)心驚。但量子保密通信技術(shù)，讓人類(lèi)看到了“永不泄密”的曙光，可以做到不可竊聽(tīng)、不可破譯。

神奇的是，量子通信具備有“反竊聽(tīng)”功能。利用光子的量子態(tài)作為密鑰本身的載體，收發(fā)雙方通過(guò)量子測(cè)量的方法，能夠檢測(cè)出這些光子在傳輸過(guò)程中是否遭到了竊聽(tīng)者的竊聽(tīng)。

除了量子保密通信外，量子通信中還有另一種應(yīng)用方式，即量子隱形傳態(tài)。量子隱形傳態(tài)是利用已分發(fā)的量子糾纏，把粒子的量子狀態(tài)傳送至遙遠(yuǎn)距離。在量子糾纏的幫助下，待傳輸?shù)牧孔討B(tài)在一個(gè)地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，以光速又在另一個(gè)地方神秘地出現(xiàn)，而且不是巧合。

《西游記》中的神仙、妖怪經(jīng)常玩“失蹤”，孫悟空一個(gè)跟頭就能翻出去十萬(wàn)八千里，現(xiàn)代科幻小說(shuō)中描寫(xiě)的“星際穿越”，以及武俠小說(shuō)中的“乾坤大挪移”，過(guò)去都只當(dāng)是科學(xué)幻想?，F(xiàn)在看來(lái)，這些不是不可行，而是有可能。

量子通信因其安全性和廣闊的應(yīng)用前景，很快成為國(guó)際上量子物理和密碼學(xué)的研究熱點(diǎn)，受到各國(guó)政府和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。

1992年，美國(guó)和加拿大的科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)量子密鑰分發(fā)，傳輸距離32厘米，由此拉開(kāi)了量子通信實(shí)驗(yàn)研究的序幕。如何大幅度提高量子保密通信的距離，成為重要研究方向，各國(guó)科研機(jī)構(gòu)都競(jìng)相在這一領(lǐng)域發(fā)力。

1997年，奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子隱形傳態(tài)距離提高到了600米。

正是在這個(gè)時(shí)候，潘建偉和他的研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)始走進(jìn)人們的視野。一系列驕人的研究成果，不斷給人們帶來(lái)驚喜。

1996年，從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)的潘建偉，赴奧地利因斯布魯克大學(xué)留學(xué)，師從量子實(shí)驗(yàn)研究的著名學(xué)者安東·蔡林格教授。1997年，還是博士研究生的潘建偉以第二作者身份發(fā)表了題為《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》的論文。這個(gè)實(shí)驗(yàn)，被公認(rèn)為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開(kāi)山之作。該論文與“愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論”等劃時(shí)代的論文一同被《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。

潘建偉1999年博士畢業(yè)的時(shí)候，國(guó)內(nèi)的量子信息研究還處于剛剛起步的階段。2001年，潘建偉在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)10多年的努力，帶出了一支聲震國(guó)際的量子“夢(mèng)之隊(duì)”。

從32厘米到100公里，時(shí)間用了不到20年，卻打開(kāi)了量子通信走向應(yīng)用的大門(mén)。2006年夏，潘建偉小組和美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室—歐洲慕尼黑大學(xué)—維也納大學(xué)聯(lián)合研究小組各自獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

由潘建偉任首席科學(xué)家的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射后不到一年，2017年9月，世界首條1000公里級(jí)量子保密通信干線——“京滬干線”正式開(kāi)通。利用量子“京滬干線”與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的天地鏈路，中科院與奧地利科學(xué)院進(jìn)行了人類(lèi)歷史上第一次洲際量子保密通信視頻通話。

2019年8月15日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》報(bào)道，中國(guó)科學(xué)家潘建偉研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)。美國(guó)物理學(xué)會(huì)等發(fā)表評(píng)論稱(chēng)，這一成果為發(fā)展高效量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，是量子通信領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。

值得一提的是，2017年5月3日，潘建偉團(tuán)隊(duì)宣布，利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源，構(gòu)建了世界首臺(tái)針對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。這意味著，量子計(jì)算的技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅猛，誕生可以破解經(jīng)典密碼的量子計(jì)算機(jī)，也許并不遙遠(yuǎn)。

潘建偉說(shuō)：“我們正處在一個(gè)不斷實(shí)現(xiàn)和超越夢(mèng)想的光榮時(shí)代。”這種信心和情懷，讓人敬佩，令人期待。

道高一尺，魔高一丈?？茖W(xué)發(fā)展到今天，人類(lèi)看到的世界，僅僅是整個(gè)世界的一小部分。人類(lèi)未知的世界，多到難以想象?，F(xiàn)在也許可以說(shuō)，量子保密通信能做到“永不泄密”，但在未來(lái)呢?

大膽假設(shè)，小心求證。探求未知的夢(mèng)想，才是人類(lèi)前進(jìn)的動(dòng)力。科學(xué)正是在不斷懷疑、假設(shè)、證實(shí)、否定中不斷發(fā)展的。

應(yīng)該向那些執(zhí)著于探知未來(lái)的人們致敬。古往今來(lái)，正是因?yàn)橛辛怂麄儯缗私▊F(tuán)隊(duì)那樣，始終鍥而不舍地在與“量子們”的“糾纏”中，追逐夢(mèng)想，揭示世界奧秘，展現(xiàn)神奇力量，才能讓人類(lèi)不斷拓展所能認(rèn)知的更廣闊疆域，奔向原本以為遙不可及的遠(yuǎn)方。

(本文圖片由安徽省新聞辦提供)

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