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量子及量子卫星7问

2016-08-18 09:31 来源:新华社 编辑:王谦
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据新华社报道,2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟说,给这颗卫星起名“墨子号”,是因为墨子在2000多年前首先通过小孔成像实验发现了光沿直线传播,而且他也提出了某种意义上的“粒子论”。

1.什么是量子?

还记得这样的场景吗?电影中,主人公走入一扇“任意门”,瞬间就穿越来到另一个空间……在量子世界里,这或许不是幻想。 

简单来说,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。量子世界中有两个基本原理:一个是量子叠加,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”理论曾经形象地将之表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。另一个是量子纠缠,类似孙悟空和它的分身,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,对其中一个粒子的量子态做任何改变,另外一个会立刻感受到,并做相应改变。

起源于1900年的普朗克量子力学,描述了这些看似魔法的物理现象。这套理论不断获得实验支持,在一百多年里催生了许多重大发明——原子弹、激光、晶体管、核磁共振等,改变了世界面貌。 

量子信息技术是量子力学的最新发展。用这一技术有望打造“不可拦截”的密钥,让通信高度保密。而未来的量子计算机,可能会比传统计算机快亿万倍。这些特性看似魔法,未来却会成为寻常事。 

2.世界上真的有“绝对安全”的通信吗? 

你粘好信封,滴蜡盖上火印,但防不住有人拆开、读完再复原;你想用电磁波传递一个秘密,但“音量”再低,也防不住精细的窃听。最终,你设法将“音量”调低到如此程度:只发射一颗光子,任何间谍去测量都会破坏它,从而被发现。信息微弱到了极限——量子级别,再小心的读取都会彻底改变它,而不可能只改变一点点。中国量子卫星的保密原理就是如此。理论上绝对安全的密电一旦实现,银行和军队都将获益。 

绝对保密的通信依靠量子纠缠,也就是爱因斯坦说的“幽灵般的超距离作用”来工作。一对纠缠的量子态的光子,可以被当作钥匙分发给北京与上海。上海读取光子B,破坏了它“既黑又白”的量子模糊状态,让它显出黑或白色;北京的光子A也将心灵感应地破坏,呈现同样颜色。如此发射和读取一连串纠缠光子,北京和上海就能得到同样的数列,比如“黑白白黑黑白黑白”,这就是密码——间谍想要读取一长串光子再原样发送,而不被发觉的可能性为零。

3.研制量子卫星有多难?

目前,量子技术的应用研发主要集中在两个领域,即量子计算和量子通信。其中,中国在量子通信技术领域目前处于领先地位。

潘建伟坦言,量子卫星研制过程中,遇到了各种难题。“墨子号”常务副总设计师兼卫星总指挥王建宇说,卫星微弱的光发下来,地面要收到。这就相当于人坐在万米高空的飞机,向下扔一连串硬币,要扔进一个慢慢旋转的储币罐的缝里。必须瞄准,因为硬币斜了也投不进去。而且,“密钥分发时候,每秒钟要接收1亿个光子。这些光子的次序还不能搞错,搞错就白收了。”王建宇说。 

接受光子的望远镜的灵敏度,相当于月球上划一根火柴,地球上就要测到。潘建伟则将此比作:在地球上能看清木星卫星上的车牌号。

潘建伟说:“单颗低轨卫星无法覆盖全球,同时由于强烈的太阳光背景,目前的星地量子通信只能在地影区进行。要实现高效的全球化量子通信,还需要形成一个卫星网络。”“如果进展顺利,国家也支持发射多颗量子通信卫星,那么有希望到2030年左右,建成全球化的广域量子通信网络。”

4.“量子态隐形传输”意味着能实现《星际迷航》里的瞬间移动吗? 

“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,并且需要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。

5.将来会不会像《变形金刚》里一样,机器人被装上量子大脑,从而取代人类? 

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。 

6.量子技术什么时候才能“飞入寻常百姓家”? 

量子通信目前已经实现在金融、政务系统等中的应用。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。 

量子计算目前仍然处于基础研究的阶段。一旦取得进展,其意义将是极其重大的。 

7.量子科学和技术究竟将带来一个怎样的未来? 

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。 

总之,量子科学和技术的广泛应用最终将把人类社会带入到量子时代,实现更高的工作效率、更安全的数据通信,以及更方便和更绿色的生活方式。