霍光

 

“嗖”地一聲，整個(gè)人被傳送到千里之外;遠(yuǎn)隔千里，毫無(wú)延遲地快速通信;大量千年無(wú)解數(shù)學(xué)難題分分鐘內(nèi)得到破解……

 

搭上政協(xié)會(huì)議的東風(fēng)，“量子”火了一把。

 

據(jù)新華網(wǎng)報(bào)道，政協(xié)委員、中科大副校長(zhǎng)潘建偉透露，中國(guó)正在北京與上海之間加緊建設(shè)世界最長(zhǎng)量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)工程——“京滬干線”，并實(shí)施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”工程。

 

一石激起千層浪，人們的好奇心和想象力被激發(fā)，甚至出現(xiàn)了“瞬間傳送”、“超光速”等“激動(dòng)人心”的展望。

 

不過(guò)，事實(shí)會(huì)讓很多人失望。是否能夠?qū)崿F(xiàn)“超光速”傳播和“瞬間傳送”，目前學(xué)術(shù)界還存在爭(zhēng)議，相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)還只是幻想。

 

那么，到底走近我們的“量子”能做什么呢?

 

量子再引人注目

 

量子上一次引發(fā)人們的普遍關(guān)注，是在2012年。2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了法國(guó)物理學(xué)家塞爾日·阿羅什(SergeHaroche)和美國(guó)物理學(xué)家戴維·瓦恩蘭(DavidJ.Wineland)。隨后，諾爾馬克闡述了“突破性的實(shí)驗(yàn)方法使得測(cè)量和操縱單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能”的獲獎(jiǎng)理由。

 

量子究竟有哪些奇妙之處呢?

 

量子此次被關(guān)注，是量子糾纏的奇妙特性。量子糾纏，是指成對(duì)出現(xiàn)的量子之間的“心靈感應(yīng)”。如果強(qiáng)行將兩者拆散，兩者狀態(tài)依然是不確定的，但通過(guò)外界觀測(cè)其中一個(gè)，將其參數(shù)固定，另一個(gè)會(huì)“感應(yīng)”到這一變化，也固定下來(lái)。就像裝在黑袋子里的兩個(gè)小球，每時(shí)每刻都在紅綠兩種顏色中變化，但你從黑袋子里掏出一個(gè)小球，發(fā)現(xiàn)它是紅色的，那么另一個(gè)小球就會(huì)自動(dòng)變成綠色。這種特性就是量子通信的基礎(chǔ)。

 

在量子這一領(lǐng)域，中國(guó)學(xué)術(shù)界，尤其是潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，是不可忽視的一股力量。

 

據(jù)媒體報(bào)道，2004年,中科大潘建偉、彭承志等研究人員開(kāi)始探索在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信。2005年，該小組在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2007年開(kāi)始,中國(guó)科大—清華大學(xué)聯(lián)合小組在北京八達(dá)嶺與河北懷來(lái)之間架設(shè)長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性。2010年，該聯(lián)合小組成功實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，16公里的傳輸距離比原世界紀(jì)錄提高了20多倍。

 

到今年為止，這些突破更多是在學(xué)術(shù)界引起反響。而潘建偉所透露出來(lái)的信息，讓人們似乎感到“量子”已經(jīng)來(lái)到我們身邊。

 

不過(guò)，量子究竟能給我們帶來(lái)什么，很多人仍然迷茫不清。

 

量子通信：安全性提升更為明顯

 

量子糾纏并不受光速的影響，這讓很多人希望通過(guò)量子通信解決通信延遲問(wèn)題。

 

打過(guò)越洋電話的人，如果比較敏感，會(huì)察覺(jué)通話過(guò)程中些微的延遲。這種延遲更多是由于途經(jīng)的各種路由設(shè)備所造成。但事實(shí)上，現(xiàn)階段還不能實(shí)現(xiàn)。

 

量子通信，是將處于量子糾纏狀態(tài)的一對(duì)量子置于兩地，在一地通過(guò)觀測(cè)等手段確定量子狀態(tài)之后，另一地會(huì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)量子狀態(tài)的變化。即使兩個(gè)量子遠(yuǎn)隔幾光年，這種“心靈感應(yīng)”無(wú)需時(shí)間。那么，量子通信是否能突破延遲的限制呢?

 

這一目標(biāo)目前還不能實(shí)現(xiàn)。單是量子狀態(tài)的改變，并不能確定信息的內(nèi)容，還需要知道另一端的觀測(cè)手段，才能反推出信息的內(nèi)容。因而，必須用常規(guī)通信方式將“觀測(cè)手段”發(fā)送給收信方。

 

打個(gè)比方，量子就像一個(gè)帶有自毀裝置的密碼箱，密碼箱用飛機(jī)送到你手里，你收到了箱子卻看不到箱子里的內(nèi)容，必須要等待只能用火車(chē)送過(guò)來(lái)的密碼。那么，你看到信息的速度依然受限于火車(chē)而不是飛機(jī)。這就限制了“超光速”傳遞信息的可能性。

 

那么，量子通信的好處在哪里?

 

最大的好處就是更高的安全性。由于對(duì)量子的任何外界擾動(dòng)都會(huì)使其狀態(tài)發(fā)生變化，而其“心靈感應(yīng)”又不需要傳送過(guò)程，因而，在發(fā)送量子過(guò)程中、確定量子狀態(tài)過(guò)程中，都無(wú)法通過(guò)外力“監(jiān)聽(tīng)”，即使“監(jiān)聽(tīng)”，也會(huì)馬上被通信者發(fā)現(xiàn)。就像你的密碼箱，如果別人接觸就會(huì)自毀，你會(huì)馬上發(fā)現(xiàn);如果別人不接觸密碼箱，截獲了密碼依然無(wú)法得知箱子中的內(nèi)容。

 

目前，各個(gè)國(guó)家都在嘗試量子通信。1997年，科學(xué)家首次用一對(duì)糾纏光子實(shí)現(xiàn)了量子信息傳輸。潘建偉曾在一次公開(kāi)講話中介紹到，國(guó)際上很多科研小組都在量子通信方面進(jìn)行研究，2007年，美國(guó)的小組和中國(guó)的小組都利用光線達(dá)到100公里、200公里的傳輸距離。2008年，我國(guó)在合肥開(kāi)始構(gòu)建全量子通信的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)時(shí)歐洲也在嘗試構(gòu)建這樣的網(wǎng)絡(luò);2010年，日本也構(gòu)建了量子通信網(wǎng)絡(luò)。潘建偉透露，2016年，我國(guó)的第一顆量子通信衛(wèi)星將升空。

 

另一方面，潘建偉還提到，量子通信不僅能傳輸信息，由于其攜帶的信息完整，可以異地復(fù)制原子的狀態(tài)，大量的原子狀態(tài)傳遞，就可以復(fù)制出一個(gè)相同的物體。他打比方說(shuō)，相當(dāng)于在異地忘了帶鑰匙，讓遠(yuǎn)方的同事發(fā)送過(guò)來(lái)鑰匙的模型，就可以在異地復(fù)制出一把一模一樣的鑰匙。2010年，中科大—清華大學(xué)聯(lián)合小組成功實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，傳輸距離達(dá)16公里。

 

不過(guò)，目前的技術(shù)水平一次能夠復(fù)制的原子還很少。由于一把鑰匙蘊(yùn)含的原子數(shù)目過(guò)于巨大，全部信息的傳遞需要以萬(wàn)年計(jì)算的單位來(lái)完成，對(duì)真實(shí)物體的傳送或者說(shuō)復(fù)制，短期內(nèi)尚不能實(shí)現(xiàn)。

 

量子計(jì)算：破解宇宙的奧秘

 

與量子傳輸相同，量子計(jì)算也是目前研究者們不斷探索的領(lǐng)域。

 

量子計(jì)算機(jī)中的每個(gè)數(shù)據(jù)由不同粒子的量子狀態(tài)決定，所以計(jì)算時(shí)采用的量子數(shù)據(jù)位在同一時(shí)間內(nèi)能夠呈現(xiàn)出多種狀態(tài)——既可以是1也可以是0，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在運(yùn)算中采用的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)位在特定時(shí)間內(nèi)只能代表一個(gè)狀態(tài)——1或者0。這使得，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作一個(gè)n位數(shù)據(jù)的同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)可以操作2的n次方量級(jí)的數(shù)據(jù)。這有點(diǎn)像那個(gè)知名的故事：一個(gè)國(guó)王要賞賜國(guó)際象棋的發(fā)明者，發(fā)明者提出，要在棋盤(pán)第一格放置1粒小麥，第二格放置2粒，依此類(lèi)推，放滿64格棋盤(pán)。一個(gè)64位量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，理論極限正如棋盤(pán)與麥粒總數(shù)的比較。

 

量子計(jì)算機(jī)的驚人潛力也吸引了眾多參與者。谷歌和NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)一起，對(duì)由D-Wave制造的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了聯(lián)合投資。在可商用的量子計(jì)算機(jī)前進(jìn)路徑上，總部位于加拿大的D-Wave公司雖然飽受質(zhì)疑，卻是走得最快的一個(gè)。據(jù)報(bào)道，其成功售出2臺(tái)D-Wave2計(jì)算機(jī)，單臺(tái)價(jià)值超過(guò)1000萬(wàn)美元。

 

2013年，AmherstCollege的計(jì)算機(jī)科學(xué)家進(jìn)行了一次量子計(jì)算機(jī)與普通電腦之間的較量。實(shí)驗(yàn)室用的量子計(jì)算機(jī)正是D-Wave2，包含439個(gè)量子位。D-Wave的芯片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要被冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度(0.02K,-273.13C)，同時(shí)由于量子位的不確定性，每一個(gè)計(jì)算都需要進(jìn)行上千次以確保其精確性。結(jié)果表明，D-Wave的硬件異常強(qiáng)大，比普通的軟件計(jì)算速度快4000倍，不過(guò)其價(jià)格是其對(duì)手的6666倍。另外，其在某些項(xiàng)目中表現(xiàn)突出，甚至可以達(dá)到10000倍，而在某些項(xiàng)目中與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相差不大。

 

一位科學(xué)界人士向記者表示，在某些算法上，量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)的提升是“非線性”的，正如棋盤(pán)和麥粒的故事;而在某些算法中，量子計(jì)算機(jī)沒(méi)有這么突出的表現(xiàn)。“不過(guò)，其仍然會(huì)有線性提升，例如幾百或上千倍，但無(wú)法達(dá)到幾十萬(wàn)倍的驚人速度。”

 

讓人擔(dān)憂的是，在量子計(jì)算機(jī)能夠“非線性提升”的某些算法中，有些會(huì)動(dòng)搖目前數(shù)據(jù)世界的根基。例如，對(duì)質(zhì)因數(shù)的分解。

 

2012年，加州大學(xué)圣巴巴拉分校(UCSB)的一組研究人員宣布其已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造出一臺(tái)量子處理器，能夠?qū)⒁粋€(gè)合數(shù)，如15——分解成其質(zhì)因子，3和5。

 

研究者埃里克·盧塞羅(ErikLucero)稱(chēng)，大數(shù)質(zhì)因子分解是網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議的核心，如最常見(jiàn)的RSA加密。他說(shuō)道：“任何時(shí)候你發(fā)送一個(gè)安全的傳輸數(shù)據(jù)——如你的信用卡信息，你所依賴(lài)的安全性都基于一個(gè)事實(shí)，即確實(shí)很難找到大數(shù)的質(zhì)因子。”

 

 

他進(jìn)一步解釋說(shuō)，利用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和廣為人知的經(jīng)典算法對(duì)RSA實(shí)驗(yàn)室公布的最大的數(shù)(包含超過(guò)600個(gè)十進(jìn)制位數(shù))進(jìn)行質(zhì)因子分解，需要的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾百億年，比宇宙的年齡還長(zhǎng)。但是量子計(jì)算機(jī)可以將用時(shí)縮減到幾十分鐘。“量子計(jì)算機(jī)解決這個(gè)問(wèn)題比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快得多，用時(shí)相差15個(gè)數(shù)量級(jí)。”盧塞羅稱(chēng)，“這將產(chǎn)生極為廣泛的影響。量子計(jì)算機(jī)將從多方面顛覆游戲規(guī)則，其中必然包括計(jì)算機(jī)安全。”

 

不過(guò)，量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)的未來(lái)更為吸引人。眾所周知，計(jì)算機(jī)技術(shù)在解決很多數(shù)學(xué)難題的過(guò)程中功不可沒(méi)，而科學(xué)家也希望量子計(jì)算機(jī)能夠解決更多數(shù)學(xué)難題。這些又將改變我們的生活。

 

目前，量子計(jì)算機(jī)給人們的印象不過(guò)類(lèi)似于一個(gè)玩具，只是口中的談資，但是在不久的將來(lái)，它將引領(lǐng)計(jì)算機(jī)世界的潮流。