繼對撞機、引力波之后，又一個“高冷”物理名詞——量子，近年來逐漸從幕后走向了臺前。在科學(xué)家們眼中，這一撲朔迷離的量子究竟是何方神圣？它有哪些神奇絕技，又有何用
在近日舉行的兩院院士大會上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉帶來了一場有關(guān)量子的精彩介紹。
神奇的量子
量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，由于具有相干疊加特性，可以產(chǎn)生“量子糾纏”，因而與相對論一起，帶來了第二次科學(xué)革命
一旦確定了初始狀態(tài)，根據(jù)力學(xué)方程，所有粒子未來的運動狀態(tài)都是可以精確預(yù)言的——這是基于牛頓力學(xué)得出的結(jié)論。
“如果按照這個思路再往下思考，一切事件（比如今天的會議）都是在宇宙大爆炸時就已經(jīng)確定好的嗎？個人的努力還有意義嗎？但人顯然是有自由意志的。”潘建偉引用霍金的一句話：即使是相信一切都是上天注定的人，在過馬路時也會左右看。
“所以，盡管我們對牛頓力學(xué)非常滿意，但對其中蘊含著的決定論，仍持有異議。”潘建偉說。
上世紀初，歸功于普朗克、愛因斯坦、玻爾、海森堡等眾多杰出科學(xué)家的共同努力，又一扇科學(xué)之門徐徐打開。到底是什么改變了牛頓力學(xué)的基本觀念？其中一個就是量子力學(xué)。量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。所有人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。
根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，一個客體的狀態(tài)（用0和1表示）就像最簡單的二進制開和關(guān)，只能處于開或者關(guān)中的某一個狀態(tài)，即要么是0要么是1，這就好比一只貓，要么是生要么是死，不能同時“又生又死”。但這一理論并不適用于量子世界。“比如在量子世界，一個氫原子的狀態(tài)，可以是激發(fā)態(tài)和基態(tài)的相干疊加，可以0和1狀態(tài)同時共存。”潘建偉舉例。
這種所謂的量子相干疊加正是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別，由此有了量子力學(xué)不確定原理：量子體系中一般情況下一個物理量的值并不能預(yù)先確定，而是依賴于采取何種測量基，進一步，對處于量子糾纏的兩個粒子，對其中一個粒子的測量結(jié)果會瞬間確定另一個粒子的狀態(tài)，不論它們相距多么遙遠。這就是“量子糾纏”，愛因斯坦稱這個現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。
潘建偉打了個比方：一個代表團從北京到法蘭克福去訪問，如果在飛行途中睡著了，不知道是途經(jīng)莫斯科還是新加坡，到北京時，他們會覺得“又冷又熱”，感覺好像同時穿越了兩條路線。但如果飛行途中一直睜著眼睛去看，或者有儀器測量，那么檢測到的狀態(tài)是飛機只會處于一條航線上，代表團抵達北京時要么感覺冷，要么感覺熱。
“疊加原理認為，一個量子客體可以處于不確定的狀態(tài)，也就是說在測量之前，連上帝都不知道，觀測者的行為還可以影響體系的演化。這種顛覆性的認知和相對論一起，帶來了第二次科學(xué)革命，進而催生了新的產(chǎn)業(yè)變革。”潘建偉說。
安全的通信
利用量子相干疊加原理所產(chǎn)生的量子保密通信，成功克服了經(jīng)典加密技術(shù)的內(nèi)在安全隱患，可以從根本上解決信息安全傳輸問題
從春秋時期的虎符到古希臘的加密棒，以及羅馬帝國凱撒大帝發(fā)明的字符移動加密術(shù)，再到二戰(zhàn)時出現(xiàn)的復(fù)雜密碼……人類追求信息安全的腳步從未停止。
為確保被授權(quán)的用戶身份不被竊取，可以用加密算法進行身份認證；為保證傳輸過程中信息不被竊聽，可以進行傳輸加密；為保證傳輸內(nèi)容不被篡改，可以用加密算法進行數(shù)字認證。某種意義上，現(xiàn)在的信息安全是建立在加密算法或者加密技術(shù)的基礎(chǔ)之上。
“然而，經(jīng)典加密算法依賴于計算的復(fù)雜度，如果計算能力足夠強大，原則上都會被破解。人們早就懷疑‘以人類的才智無法構(gòu)造人類自身不可破解的密碼’，這是目前經(jīng)典加密算法面臨的困境。”潘建偉說。
幸運的是，量子力學(xué)的發(fā)展已經(jīng)為解決這一問題做好了準備。量子疊加的“分身術(shù)”，具有一個最為直接的應(yīng)用——就是廣受關(guān)注的量子保密通信。
潘建偉說，科學(xué)家們可以利用單光子來傳輸密鑰。如果有竊聽者想截取單光子，測量其狀態(tài)并發(fā)送，那么，單光子就會從原有狀態(tài)“0+1”變成0或者1，通信中就會引入擾動并會被使用者察覺。當(dāng)然，經(jīng)典光通信中還有一種竊聽方法——截獲一部分光，讓其余部分繼續(xù)傳送，僅對截獲到的部分進行狀態(tài)測量獲取密鑰信息。但是，由于單光子不可分割，竊聽者不可能如同在經(jīng)典光通信中那樣，把信號分成一模一樣的兩半，竊聽也由此失敗。
“量子通信克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，因為其安全性不依賴于計算復(fù)雜度，這是原理上無條件安全的一種通信方式，一旦存在竊聽必然被發(fā)現(xiàn)。”潘建偉稱。
單光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復(fù)制性從原理上保證了信息的不可竊聽，再結(jié)合“一次一密”的加密方法，就可以實現(xiàn)信息的不可破解，從而確保了身份認證、傳輸加密以及數(shù)字認證等技術(shù)手段的無條件安全。
不過，要在現(xiàn)實條件下實現(xiàn)遠距離的量子通信，并非聽起來那么簡單。量子信號因為不能被復(fù)制，所以不能被放大，信號會隨著傳輸距離的拉長，變得越來越弱。比如，長度為1200公里的商用光纖中，即使有每秒百億發(fā)射率的理想單光子源和完美的探測器，也需要數(shù)百萬年才能傳送一個量子比特。這樣的傳輸速率顯然不適于遠距離傳輸。
怎么辦？目前國際上公認有兩種可行的途徑：一種是利用中繼器進行分段傳輸，另一種是利用衛(wèi)星中轉(zhuǎn)進行自由空間單光子傳輸，實現(xiàn)數(shù)千公里甚至是全球化的量子通信。
2016年，隨著全球第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星——墨子號發(fā)射成功，實現(xiàn)信息“絕對安全”的夢想又向前邁進了一步。“去年，千公里級量子密鑰分發(fā)速率達到1kbps，比同距離光纖提高20個數(shù)量級；現(xiàn)在，每秒鐘可以穩(wěn)定分發(fā)十萬個密鑰甚至幾十萬個密鑰。”潘建偉說。
可期的未來
潘建偉表示，以量子信息技術(shù)為代表的第二次量子革命，一定會帶來人類社會物質(zhì)文明的巨大進步
量子通信不是唯一應(yīng)用。
大數(shù)據(jù)時代，人類對計算能力的需求與日俱增。然而，目前人類擁有的計算能力還相當(dāng)有限。例如，集全世界計算能力的總和都無法在一年內(nèi)完成對280個數(shù)據(jù)的窮舉搜索。與此同時，隨著晶體管的尺寸逐步接近納米級，晶體管的電路原理將不再適用。而通過超大規(guī)模處理器集成的超級計算機由于能耗驚人，也面臨著發(fā)展模式不可持續(xù)的難題。以AlphaGo為例，下一盤圍棋需要消耗10噸煤產(chǎn)生的電量。
“利用量子相干疊加原理，可以構(gòu)造具有強大并行計算和模擬能力的量子計算機。”潘建偉說，量子計算機的計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，一臺操縱100個粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可達到目前全世界計算能力總和的100萬倍。利用萬億次經(jīng)典計算機分解三百位大數(shù)大約需要15萬年，這正是目前廣泛使用的RSA公鑰密碼體系安全性的基石——現(xiàn)有計算能力無法在短時間內(nèi)破解密碼，然而利用同樣工作頻率的量子計算機則只要一秒鐘。由此可見，一旦量子計算機研制成功，對現(xiàn)有密碼體系的沖擊將是崩潰性的。不過，量子力學(xué)在提供了破解密碼“最鋒利的矛”的同時，也為我們提供了信息安全“最牢固的盾”——量子通信的安全性與計算能力無關(guān)，即使在量子計算機時代，照樣可以保障信息的無條件安全。
當(dāng)然，量子計算機造出來還需時日。“屆時，量子計算可為人工智能、密碼分析、氣象預(yù)報、石油勘探、基因分析、藥物設(shè)計等所需的大規(guī)模計算難題提供解決方案，并可揭示量子相變、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機制。”潘建偉表示。
不僅如此，利用高精度的量子信息處理技術(shù)，還可對時間、位置、重力等物理信息實現(xiàn)超越經(jīng)典技術(shù)極限的量子精密測量，大幅度提升衛(wèi)星導(dǎo)航、激光制導(dǎo)、水下定位、醫(yī)學(xué)檢測和引力波探測等的準確性和精度。例如，利用目前最好的傳統(tǒng)自主導(dǎo)航技術(shù)，水下航行100天后，定位誤差達數(shù)十公里，需要定期上浮使用衛(wèi)星修正；而利用原子干涉重力儀等高精度量子自主導(dǎo)航系統(tǒng)，水下定位航行能力可大幅提升，不需衛(wèi)星修正就可實現(xiàn)長期自主導(dǎo)航。
“第一次量子革命已經(jīng)在20世紀對我們的社會面貌和生活方式產(chǎn)生了巨大影響。可以預(yù)期，以量子信息技術(shù)為代表的第二次量子革命也一定會帶來人類社會物質(zhì)文明的巨大進步。”潘建偉說。
摘自《經(jīng)濟日報》
