量子科技可能改變未來的生活

高 峰

量子科技可能改變未來的生活

高 峰

今年8月16日，我國成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空，人類將首次完成衛星和地面之間的量子通信，標志著我國空間科學研究又邁出重要一步。

量子衛星的成功發射和在軌運行，將有助于我國在量子通信技術實用化整體水平上保持和擴大國際領先地位，實現國家信息安全和信息技術水平跨越式提升，有望推動我國在量子科學前沿領域取得重大突破，對于推動我國空間科學衛星系列可持續發展具有重大意義。

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本個體。可以說，整個世界都是由量子組成的。量子理論被稱為物理世界的百歲“幽靈”，連不少科學家都為其產生的神秘現象所迷惑，對于普通人來說自然更加高深。但若試著走近它，你會發現這個“幽靈”的魅力。

量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性——量子疊加原理和量子糾纏

量子疊加原理是說量子有多個可能狀態的疊加態，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現出某種確定的狀態，因此，對物質的測量意味著擾動，會改變被測量物質的狀態。

這就好比孫悟空的分身術，一個孫悟空同時出現在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態。在日常生活中，我不可能同時出現在兩個地方，但在量子世界里，作為一個微觀的客體，它同時出現在許多地方。

所謂量子糾纏則是兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應的雙胞胎，不管兩個人的距離有多遠，當哥哥的狀態發生變化時，弟弟的狀態也跟著發生一樣的變化。如果這兩個光量子呈糾纏態的話，哪怕是千公里量級或者更遠的距離，還是會出現遙遠的點之間的詭異互動。

兩個處于糾纏狀態的粒子無論相距多遠，都能“感應”對方狀態，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。科學家可以利用這種效應將甲地某一粒子的未知量子態，在乙地的另一粒子上還原出來。

隨著這兩種特性被不斷認識量子通信等應用新技術被逐漸開拓出來

以往用以微電子技術為基礎的計算機技術傳遞信息極易遭遇竊聽，但通過把量子物理與信息技術相結合，利用量子調控技術，能夠用一種革命性的方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經典信息技術的瓶頸，這就是量子通信。

量子保密通信就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動過，傳送者會立刻發現，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。

為何鑰匙被別人一碰，就能立刻被知曉呢？因為科學家利用了上面提到過的量子有多個疊加態的原理，用量子作為密鑰。這樣一來，一旦有人試圖截獲或測試量子密鑰，就會改變量子狀態，科學家便能立刻從改變中發現有人動了鑰匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能實現無條件安全的通信方式。

為何要發射量子衛星？受制于光纖不能放大量子通信信號的問題，導致了在遠距離上信息傳遞效率很低，令科學家們一籌莫展。雖然通過量子中繼手段，即分成若干段傳輸來降低每一段的損耗，但走向實際應用還需時日。后來，科學家發現，真空里不會有光的損耗，想要實現覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛星的中轉。

通過發射衛星，去除干擾因素，就可以實現幾千公里的量子通信。有了量子衛星，還可以在宏觀距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性，也就是“幽靈般的超距作用”。看看在實驗室里不斷被重復檢驗的理論，放在太空是否還能實現。

量子通信技術的廣泛應用將對人類社會發展產生難以估量的影響

大規模推廣量子通信應用后，將極大提高人們信息傳輸的私密性和安全性。建好“量子互聯網”后，人們不用再擔心任何信息泄露，從而避免惡意攻擊和欺詐行為。

量子保密通信能夠從三個方面保障信息安全。第一，發送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取。第二，“主仆”身份能夠自動確認，只有主人才能夠使喚“仆人”，而其他人無法指揮“仆人”。第三，一旦發送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發送和接收指令。

比如，將來可以在手機中植入量子加密芯片，用來接收并存儲密鑰。人們只需要每天在家里，將手機和量子密鑰分發機連接，就能夠實現保密通信。走到這一步，還需要對網絡基礎設施進行改造，制定通信標準等，10年至15年，有望實現。

得益于這種絕對安全性，量子通信不僅應用于百姓日常通信，也可用于水、電、煤氣等能源供給和民生網絡基礎設施的通信保障，還可應用于國防、金融、商業等領域，勢必對產業界和科技界產生巨大的變革。

由于量子技術的巨大前景，美國、日本等大國也在積極研究，中國起步較晚，2011年才啟動了量子衛星研制計劃。“墨子號”成功發射后，中國還將陸續發射多顆量子衛星，并計劃在2030年左右建成全球化量子通信網絡。

中國量子科學實驗衛星工程首席科學家潘建偉表示，量子通信技術將在未來5至10年，應用在國防、軍事和金融領域，15年后將走進千家萬戶。屆時，人們在使用電子消費時，都不必再擔心各種網絡攻擊。

這種安全的量子通信在國防、軍事、金融等領域應用前景廣闊。專家預測，量子通信技術可能在20 至30年后對人類社會發展產生難以估量的影響。

目前，國際上還沒有一個國家將量子科學實驗送入空間，量子衛星的研制沒有任何經驗可循。《華爾街日報》報道稱，中國在自然科學研究領域已經趕上甚至超越西方。（中國城市經濟文化研究會）