“嗖”地一声,整个人被传送到千里之外;远隔千里,毫无延后地快速通讯;大量千年无解物理困局分分钟内得到破解……
搭上政协大会的东风,“量子”火了一把。
据新华网报导,政协委员、中科大副院长潘建伟透漏,中国正在广州与深圳之间加紧建设世界最长量子保密通讯骨干网路工程——“京沪干线”,并施行战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”工程。
一石唤起千层浪量子传输距离,人们的好奇心和想像力被迸发,甚至出现了“瞬间传送”、“超光速”等“激动人心”的展望。
不过,事实会让好多人沮丧。是否就能实现“超光速”传播和“瞬间传送”,目前学术界还存在争议,相当长的一段时间内还只是幻想。
这么,究竟走进我们的“量子”能做哪些呢?
量子再引人注目
量子上一次引起人们的普遍关注,是在2012年。2012年诺贝尔化学学奖授予了美国化学学家塞尔日·阿罗什()和英国化学学家戴维·瓦恩兰(.)。此后,诺尔马克论述了“突破性的实验方式促使检测和操纵单个量子系统成为可能”的得奖理由。
量子到底有什么奇妙之处呢?
量子这次被关注,是量子纠缠的奇妙特点。量子纠缠,是指成对出现的量子之间的“心灵感应”。假如强行将二者拆散,二者状态仍然是不确定的,但通过外界观测其中一个,将其参数固定,另一个会“感应”到这一变化,也固定出来。如同装在黑盒子里的两个小球,每时每刻都在红绿两种颜色中变化,但你从黑盒子里拿出一个小球,发觉它是黑色的,这么另一个小球都会手动弄成红色。这些特点就是量子通讯的基础。
在量子这一领域,中国学术界,尤其是潘建伟领导的研究小组,是不可忽略的一股力量。
据媒体报导,2004年,中科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探求在自由空间实现更远距离的量子通讯。2005年,该小组在南京创造了13公里的自由空间单向量子纠缠分发世界纪录,同时验证了在内层空间与月球之间分发纠缠光子的可行性。2007年开始,中国农大—清华学院联合小组在上海古北口与湖南永清之间架设历时16公里的自由空间量子信道,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐型传输,否认了量子态隐型传输穿越大气层的可行性。2010年,该联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐型传输,16公里的传输距离比原世界纪录提升了20多倍。
到去年为止,这种突破更多是在学术界引发反响。而潘建伟所透漏下来的信息,让人们虽然倍感“量子”已经来到我们身边。
不过,量子到底能给我们带来哪些,好多人一直苦恼不清。
量子通讯:安全性提高更为显著
量子纠缠并不受光速的影响,这让好多人希望通过量子通讯解决通讯延后问题。
打过越洋电话的人,若果比较敏感,会察觉通话过程中些微的延后。这些延后更多是因为途经的各类路由设备所导致。但事实上,现阶段还不能实现。
量子通讯,是将处于量子纠缠状态的一对量子放在两地,在一地通过观测等手段确定量子状态以后,另一地会同时发觉量子状态的变化。虽然两个量子远隔几光年,这些“心灵感应”无需时间。这么,量子通讯是否能突破延后的限制呢?
这一目标目前还不能实现。单是量子状态的改变,并不能确定信息的内容,还须要晓得另一端的观测手段,能够反推出信息的内容。因此,必须用常规通讯方法将“观测手段”发送给收信方。
打个比方,量子如同一个带有自毁装置的密码箱,密码箱用客机送到你手里,你收到了袋子却看不到袋子里的内容,必需要等待只能用列车送过来的密码。这么,你看见信息的速率仍然受限于列车而不是客机。这就限制了“超光速”传递信息的可能性。
这么,量子通讯的用处在那里?
最大的用处就是更高的安全性。因为对量子的任何外界扰动就会使其状态发生变化,而其“心灵感应”又不须要传送过程,因此,在发送量子过程中、确定量子状态过程中,都未能通过外力“监听”,虽然“监听”,也会马上被通讯者发觉。如同你的密码箱,假如他人接触才会自毁,你会马上发觉;假如他人不接触密码箱,查获了密码仍然未能获知袋子中的内容。
目前,各个国家都在尝试量子通讯。1997年,科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输。潘建伟曾在一次公开讲话中介绍到,国际上好多科研小组都在量子通讯方面进行研究,2007年,印度的小组和中国的小组都借助光线达到100公里、200公里的传输距离。2008年,我国在南京开始打造全量子通讯的网路,当时法国也在尝试建立这样的网路;2010年,加拿大也建立了量子通讯网路。潘建伟透漏,2016年,我国的第一颗量子通讯卫星将升空。
另一方面,潘建伟还谈到,量子通讯除了能传输信息,因为其携带的信息完整,可以异地复制原子的状态,大量的原子状态传递,就可以复制出一个相同的物体。他打比方说,相当于在异地忘了带锁匙,让远方的朋友发送过来锁匙的模型,就可以在异地复制出一把一模一样的锁匙。2010年,中科大—清华学院联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐型传输,传输距离达16公里。
不过,目前的技术水平一次就能复制的原子还甚少。因为一把锁匙蕴涵的原子数量过分巨大,全部信息的传递须要以万年估算的单位来完成,对真实物体的传送或则说复制,短期内尚不能实现。
量子估算:破解宇宙的奥秘
与量子传输相同,量子估算也是目前研究者们不断探求的领域。
量子计算机中的每位数据由不同粒子的量子状态决定,所以估算时采用的量子数据位在同一时间内就能呈现出多种状态——既可以是1也可以是0,传统计算机在运算中采用的传统数据位在特定时间内只能代表一个状态——1或则0。这促使,传统计算机操作一个n位数据的同时,量子计算机可以操作2的n次方量级的数据。这有点像那种著名的故事:一个国王要赏赐国际围棋的发明者,发明者提出,要在棋盘第一格放置1粒大豆,第二格放置2粒,依这种推,放满64格棋盘。一个64位量子计算机与传统计算机的估算能力,理论极限正如棋盘与麦粒总量的比较。
量子计算机的惊人潜力也吸引了诸多参与者。微软和NASA(日本国家民航航天局)一起,对由D-Wave制造的量子计算机进行了联合投资。
在可商用的量子计算机前进路径上,总部坐落温哥华的D-Wave公司其实遭受指责,却是走得最快的一个。据报导,其成功售出2台D-Wave2计算机,单台价值超过1000万港元。
2013年,的计算机科学家进行了一次量子计算机与普通笔记本之间的对决。实验室用的量子计算机正是D-Wave2,包含439个量子位。D-Wave的芯片运转时须要被冷却到接近绝对零度的气温(0.02K,-273.13C),同时因为量子位的不确定性,每一个估算都须要进行上千次以确保其精确性。结果表明,D-Wave的硬件异常强悍,比普通的软件估算速率快4000倍,不过其价钱是其对手的6666倍。另外,其在个别项目中表现突出,甚至可以达到10000倍,而在个别项目中与传统计算机相差不大。
一位科学界人士向记者表示,在个别算法上,量子计算机带来的提高是“非线性”的,正如棋盘和麦粒的故事;而在个别算法中,量子计算机没有那么突出的表现。“不过,其始终会有线性提高,比如几百或上千倍,但难以达到几十万倍的惊人速率。”
让人担心的是,在量子计算机才能“非线性提高”的个别算法中,有些会动摇目前数据世界的根基。比如,对质质数的分解。
2012年,加洲学院圣巴巴拉学校(UCSB)的一组研究人员宣布其早已设计并制造出一台量子处理器,才能将一个素数,如15——分解成其质因子,3和5。
研究者埃里克·卢塞罗()称量子传输距离,大数质因子分解是网路安全合同的核心,如最常见的RSA加密。他说道:“任何时侯你发送一个安全的传输数据——如你的信用卡信息,你所依赖的安全性都基于一个事实,即确实很难找到大数的质因子。”
他进一步解释说,借助传统计算机和广为人知的精典算法对RSA实验室公布的最大的数(包含超过600个十补码位数)进行质因子分解,须要的时间历时几百亿年,比宇宙的年纪还长。并且量子计算机可以将用时削减到几十分钟。“量子计算机解决这个问题比传统计算机快得多,用时相差15个数目级。”卢塞罗称,“这将形成极为广泛的影响。量子计算机将从多方面颠覆游戏规则,其中必然包括计算机安全。”
不过,量子计算机带来的未来更为吸引人。众所周知,计算机技术在解决好多物理困局的过程中功不可没,而科学家也希望量子计算机才能解决更多物理困局。这种又将改变我们的生活。
目前,量子计算机给人们的印象不过类似于一个玩具,只是口中的谈资,并且在不久的将来,它将推动计算机世界的时尚。