量子通信還有多遠(yuǎn)

 自1900年馬克斯·普朗克提出量子理論至今，已經(jīng)過(guò)去了100多年，科學(xué)家們卻依舊沒(méi)能徹底弄清楚，量子糾纏這個(gè)“鬼魅”般的物理現(xiàn)象，到底有著怎樣的作用機(jī)制。

盡管如此，在量子糾纏現(xiàn)象被證實(shí)之后，量子計(jì)算、量子密碼、量子通信甚至是瞬間移動(dòng)等科幻般的技術(shù)應(yīng)用，已被一一提出。

所有這些暢想中，量子通信被公認(rèn)為離人類(lèi)最近的一項(xiàng)應(yīng)用。由于量子糾纏現(xiàn)象的不確定性特性，這項(xiàng)未來(lái)的通信技術(shù)因具有“無(wú)懈可擊”的安全性而備受青睞。

從最開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)室理論，到上百公里的量子數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)，再到如今中國(guó)橫跨京滬上千公里的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，科學(xué)家們關(guān)于全球廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想已經(jīng)越來(lái)越近。

“現(xiàn)在，技術(shù)上我們只差最后一步”，中科院院士、中國(guó)科技大學(xué)教授潘建偉說(shuō)，利用衛(wèi)星把城域和城際量子通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。

“鬼魅”量子糾纏

追溯量子通信的起源，就必須先了解它的理論基礎(chǔ)--量子糾纏。

因?yàn)橹两窨茖W(xué)家們也還沒(méi)有分析透徹這種物理現(xiàn)象是“怎么產(chǎn)生的”，要科學(xué)而完整地解釋量子糾纏，短期內(nèi)或許仍是一個(gè)無(wú)解之題。

好在科學(xué)家們已經(jīng)基本搞清楚，量子糾纏“會(huì)發(fā)生什么”。如果從這個(gè)層面來(lái)看，那么它可以被描述為這樣一種現(xiàn)象：兩個(gè)共同來(lái)源的微觀粒子之間，只要處于糾纏狀態(tài)，那么只要一個(gè)粒子的量子(微觀物理世界的光子等最小單元)狀態(tài)發(fā)生變化，就會(huì)立即影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。

這種現(xiàn)象就好比人類(lèi)世界中的孿生兒，彼此之間存在心靈感應(yīng)。而且“詭異”的是，無(wú)論它們相隔多遠(yuǎn)，即使一個(gè)在太陽(yáng)系另一個(gè)在幾十萬(wàn)光年以外的星系，只要處于糾纏態(tài)，這種感應(yīng)就會(huì)存在。

這種現(xiàn)象觸及了經(jīng)典物理學(xué)的靈魂，在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)之間總是要通過(guò)某種相互作用才能發(fā)生聯(lián)系的，就好比你不可能通過(guò)一根沒(méi)有魚(yú)線的魚(yú)竿，隔空釣起一只魚(yú)。

更有意思的，如果以制造硬幣為例，我們?nèi)绻圃煊矌?，基本前提是需要測(cè)定制作硬幣的模板，再根據(jù)模板進(jìn)行大規(guī)模復(fù)制。但在量子世界，這枚硬幣是“不確定”的，你根本沒(méi)法測(cè)量它，一測(cè)它，它下一秒就會(huì)發(fā)生變化，根本沒(méi)法復(fù)制。

再見(jiàn)“棱鏡門(mén)”

盡管至今還沒(méi)有更好的解釋?zhuān)孔蛹m纏的這種“不確定性”，正是量子通信得到重視的基礎(chǔ)。

如果這種特性應(yīng)用在通信技術(shù)上，就是天然的保密通信手段。

傳統(tǒng)的通信技術(shù)比如電話、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，都需要通過(guò)有線或者無(wú)線的終端傳輸信息，他人要竊聽(tīng)你們的交流，只要復(fù)制整個(gè)對(duì)話過(guò)程就可以了，即使這段對(duì)話被加密了，只要連密碼也一起復(fù)制，再解密為正常通話即可。

想象一下，一旦通信中的信息和密碼用量子來(lái)承載，情況會(huì)發(fā)生什么變化?

由于量子糾纏的“不確定性”，只要有人在途中打算復(fù)制竊聽(tīng)信息，一“碰”它的狀態(tài)就改變了，竊聽(tīng)者拿到的只會(huì)是一堆毫無(wú)用處的信息。而且只要狀態(tài)一改變，信息的合法接收人員就能立刻知道它被人動(dòng)過(guò)手腳。

除了“不確定性”，量子通信所具有的另一特性是量子糾纏的“超距離作用”，轉(zhuǎn)換到量子通信上來(lái)，即量子通信的“隱形傳輸”特性。

由于量子糾纏無(wú)視距離，即使完全被隔離的兩個(gè)粒子，同樣存在“心靈感應(yīng)”。所以將這種特性運(yùn)用到量子通信上，就使得兩點(diǎn)的通信過(guò)程能在一瞬間同時(shí)完成，從根本上杜絕了被竊聽(tīng)被截獲的可能。

如果擁有這種理論上幾乎絕對(duì)保密的通信技術(shù)，人們就可以和“棱鏡門(mén)”之類(lèi)的竊聽(tīng)計(jì)劃說(shuō)再見(jiàn)了。

后來(lái)居上的中國(guó)隊(duì)

量子通信的概念最早由美國(guó)科學(xué)家貝內(nèi)特于1993年提出，在貝內(nèi)特之后，6位來(lái)自不同國(guó)家的科學(xué)家，基于量子糾纏理論，又提出了利用經(jīng)典物理學(xué)與量子物理學(xué)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳輸?shù)姆桨浮?/p>

這套最初的基本方案認(rèn)為，可以將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方，把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上，而原來(lái)的粒子仍留在原處。

由于可以與現(xiàn)有的通信技術(shù)相疊加，這套方案成了之后量子通信的基礎(chǔ)方案，在隨后的20年時(shí)間里，各國(guó)科學(xué)家和研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)量子隱形傳輸開(kāi)展了激烈的競(jìng)賽，最長(zhǎng)傳輸距離的記錄一次又一次被打破。

值得一提的是，在這個(gè)新興的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域，中國(guó)雖然屬于后來(lái)者，但研究進(jìn)展卻出人意料地后來(lái)居上，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

比如作為國(guó)內(nèi)量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，潘建偉的科研團(tuán)隊(duì)2014年啟動(dòng)了量子通信京滬干線的建設(shè)。

這個(gè)城際量子通信網(wǎng)絡(luò)總長(zhǎng)2000多公里，連接北京和上海兩地，建成后將用于確保京滬兩地金融信息的安全傳輸。

城域和城際量子通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用并不是潘建偉的終極目標(biāo)，在他看來(lái)，利用衛(wèi)星將城域和城際網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，建設(shè)一個(gè)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)，才能真正體現(xiàn)出量子通信技術(shù)的意義。

為了這個(gè)目標(biāo)，潘建偉已經(jīng)準(zhǔn)備了很多年。早在2005年，潘建偉的科研團(tuán)隊(duì)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了13公里的自由空間量子通信試驗(yàn)，證實(shí)了星-地量子通信的可能性;2012年，他們又實(shí)現(xiàn)了世界上首次百公里級(jí)別自由空間量子隱形傳輸，為發(fā)射全球首顆量子通信衛(wèi)星奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

據(jù)介紹，2016年，中國(guó)將先于歐美發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，使得中國(guó)成為第一個(gè)具有量子通信能力的國(guó)家。

盡管后續(xù)從實(shí)驗(yàn)到真正的產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用，還需要經(jīng)過(guò)大量的技術(shù)驗(yàn)證和成本核算，但在潘建偉看來(lái)，只要做到量子衛(wèi)星升空，中國(guó)就已經(jīng)領(lǐng)先全球一大步。