【探索世界工业科技前沿】之五:量子通讯

发布时间:2015年04月09日 18:26 | 来源:看厦门


   量子上一次引发人们的普遍关注,是在2012年。2012年10月9日,瑞典皇家科学院会议厅,瑞典皇家科学院常任秘书诺尔马克宣布将2012年诺贝尔 物理学奖授予法国物理学家塞尔日?阿罗什(Serge Haroche)和美国物理学家戴维?瓦恩兰(David J. Wineland)。随后,诺尔马克阐述了“突破性的实验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”的获奖理由。
  据报道,政协委员、中科大副校长潘建伟透露,中国正在北京与上海之间加紧建设世界最长量子保密通信骨干网络工程——“京沪干线”,并实施战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”工程。
  一石激起千层浪,人们的好奇心和想象力被激发, 甚至出现了“瞬间传送”、“超光速”等“激动人心”的展望。不过,事实会让很多人失望。是否能够实现“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是幻想。
  那么,到底走近我们的“量子”能做什么呢?

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什么是量子通讯?

  量子通讯(Quantum communication)是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结 合的新的研究领域。量子通讯主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理,量子通讯具有高效率和绝对安全等特点,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

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量子的奇妙之处?

  量子此次被关注,是量子纠缠的奇妙特性。量子纠缠,是指成对出现的量子之间的“心灵感应”。如果强行将两者拆散,两 者状态依然是不确定的,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,也固定下来。就像装在黑袋子里的两个小球,每时每刻都在红绿 两种颜色中变化,但你从黑袋子里掏出一个小球,发现它是红色的,那么另一个小球就会自动变成绿色。这种特性就是量子通信的基础。
  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,是不可忽视的一支力量。
   据媒体报道,2004年,中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。2005年,该小组在合肥创造了13公里的自由 空间双向量子纠缠分发世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。2007年开始,中国科大——清华大学联合小组在北京八达岭与河北 怀来之间架设长达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形传输,证实了量子态隐形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形传输,16公里的传输距离比原世界纪录提高了20多倍。
  到今年为止,这些突破更多地是在学术界引起反响。而潘建伟所透露出来的信息,让人们似乎感到“量子”已经来到我们身边。

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量子通信的好处:安全性提升更明显

  最大的好处就是更高的安全性。由于对量子的任何外界扰动都会使其状态发生变化,而其“心灵感应”又不需要传送过程, 因而,在发送量子过程中、确定量子状态过程中,都无法通过外力“监听”,即使“监听”,也会马上被通信者发现。就像你的密码箱,如果别人接触就会自毁,你 会马上发现;如果别人不接触密码箱,截获了密码依然无法得知箱子中的内容。
  量子纠缠并不受光速的影响,这让很多人希望通过量子通信解决通信延迟问题。虽然事实上,现阶段还并不能实现。
   打过越洋电话的人,如果比较敏感,会察觉通话过程中些微的延迟。这种延迟更多是由于途经的各种路由设备等造成。毕竟对于地球四万公里的周长,即使是地球 的对面,由于光速限制造成的延迟仍然只有2/15秒(单向1/15秒)。然而,如果你和位于太阳一样远的人通信,发出的信息需要8分钟才到达,16分钟之 后才能收到回复,这种延迟就有点无法忍受。
  量子通信,是将处于量子纠缠状态的一对量子置于两地,在一地通过观测等手段确定量子状态之后,另一地会同时发现量子状态的变化。即使两个量子远隔几光年,这种“心灵感应”无需时间。那么,量子通信是否能突破延迟的限制呢?
  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,还需要知道另一端的观测手段,才能反推出信息的内容。因而,必须用常规通信方式将“观测手段”发送给收信方。
  打个比方,量子就像一个带有自毁装置的密码箱,密码箱用飞机送到你手里,你收到了箱子却看不到箱子里的内容,必须要等待只能用火车送过来的密码。那么,你看到信息的速度依然受限于火车而不是飞机。这就限制了“超光速”传递信息的可能性。

  量子应用重大事件
  ●1982年,诺贝尔奖获得者理查德•费曼(Richard Feynman)提出“量子计算机”的概念。
  ●1994年,贝尔实验室的专家彼得•秀尔(Peter Shor)证明量子计算机能够完成对数运算,而且速度远胜传统计算机。
  ■在1997年,科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输。
  ●2005年,世界第一台量子计算机原型机在美国诞生,它基本符合了量子力学的全部本质特性。
  ●2007年2月,加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。
  ■2007年,维也纳大学(University of Vienna)的安东•齐林格(Anton Zeilinger)和他的同事们用一对纠缠光子在加那利群岛(Canary Islands)的两个岛之间传输了一份量子信息,传送距离超过了143千米。
  ●2010年1月,美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。
  ●2010年3月,德国于利希研究中心发表公报:该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机。
  ■2010年,中国科大——清华大学联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输,传输距离达16公里。
  ●2012年3月,IBM做到了在减少基本运算误差的同时,保持量子比特的量子机械特性完整性。

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量子通讯的现状

  目前,各个国家都在尝试量子通信。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,国际上很多科研小组都在量子通信方面进行研究,2007年,美国的小组和中国的小组都利用光线达到100公里、200公里的传输距离。 2008年,我国在合肥开始构建全量子通信的网络,当时欧洲也在尝试构建这样的网络;2010年,日本也构建了量子通信网络。潘健伟透露,2016年,我 国的第一颗量子通信卫星将升空。
  另一方面,潘建伟还提到,量子通信不仅能传输信息,由于其携带的信息完整,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,相当于在异地忘带了钥匙,让远方的同事发送过来钥匙的模型,就可以在异地复制出一把一摸一样的钥 匙。2010年,中国科大—清华大学联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输,传输距离达16公里。
  不过,目前的技术水平一次能够复制的原子还很少。由于一把钥匙蕴含的原子数目过于巨大,全部信息的传递需要以万年计算的单位来完成,对真实物体的传送或者说复制,短期内尚不能实现。

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惊天地泣鬼神!中国将发射量子通讯卫星

  科普:量子信号从地面上发射并穿透大气层——卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星——量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。
  优势:由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗,如果能够在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性,人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。
  潘建伟研究小组于2003年开始研究自由空间量子通信,他们在实验点制备出成对的纠缠光子,再利用两个专门设计加工的发射望远镜将容易发散的细小光束“增肥”后向东西相距13公里的两个实验站送出,两个接收端用同样型号的望远镜收集。

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