量子糾纏記

可能很多人都有過類似的經(jīng)歷：當(dāng)一個人想起另一個人的時候，對方卻能同時感覺到；突然感覺到有人要給自己打電話，結(jié)果電話很快就響了……

我們通常稱之為“心靈感應(yīng)”，兩個人之間瞬間的信息傳遞就是如此微妙，只是長期以來，我們要么認(rèn)為這些現(xiàn)象純屬巧合，要么干脆斥之為迷信、偽科學(xué)。生活中的許多現(xiàn)象和奧秘，人類暫時還無法解釋。好在，科學(xué)對一切未知的東西，并不輕易否定。

二十世紀(jì)量子理論的出現(xiàn)，顛覆了人類對微觀世界的很多看法。特別是量子糾纏理論的實驗驗證：具有糾纏態(tài)的兩個粒子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個狀態(tài)發(fā)生變化，另外一個也會瞬間發(fā)生變化——這不就非常類似于“心靈感應(yīng)”嗎？

當(dāng)然，這個實驗不是為“心靈感應(yīng)”做驗證。但基于量子糾纏理論的量子通信，解決了人類保密通信的巨大難題。

1

2016年8月，中國成功發(fā)射“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。“墨子號”是世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》曾評價，“國際同行們正在努力追趕中國，中國現(xiàn)在顯然是衛(wèi)星量子通信的世界領(lǐng)導(dǎo)者。”

量子通信是迄今唯一安全性得到嚴(yán)格證明的通信方式。對保密通信的需求自古就有，且無處不在。大至國家安全、商業(yè)秘密，小至個人隱私，都無一例外地與此息息相關(guān)。

中學(xué)語文課本中的課文《信陵君竊符救趙》，講述魏公子信陵君盜魏王虎符、絞殺晉鄙、卻秦存趙的故事，其中解決問題的死結(jié)，即中國古代的身份驗證工具——虎符。古希臘斯巴達(dá)人使用的密碼棒，也許是人類最早使用的文字加密解密工具：把長帶子狀羊皮紙纏繞在圓木棒上，然后在上面寫字；解下羊皮紙后，上面只有雜亂無章的字符，只有再次以同樣的方式纏繞到同樣粗細(xì)的圓木棒上，才能看出所寫的內(nèi)容。

保密和竊密，自始至終糾纏不已。為了保密，人類不得不在加密技術(shù)上不斷探索創(chuàng)新。從用紙筆或簡單機械實現(xiàn)加解密的“古典秘法體制”，到莫爾斯發(fā)明電報實現(xiàn)加解密的“近代密碼體制”，再到以電子密碼催生的“現(xiàn)代密碼體制”，不斷攀升。

現(xiàn)代密碼體制中，無論是對稱密碼體制還是非對稱密碼體制，其安全性都是基于數(shù)學(xué)的復(fù)雜性，與計算機的計算能力相關(guān)聯(lián)。二十世紀(jì)九十年代，隨著量子算法的提出，人們意識到，量子計算機在并行運算上的強大能力，使它能快速完成經(jīng)典計算機無法完成的計算，一旦研制成功，將對現(xiàn)行所有密碼體制造成嚴(yán)重威脅。但量子保密通信技術(shù)，讓人類看到了“永不泄密”的曙光，可以做到不可竊聽、不可破譯。

神奇的是，量子通信具備“反竊聽”功能。利用光子的量子態(tài)作為密鑰本身的載體，收發(fā)雙方通過量子測量的方法，能夠檢測出這些光子在傳輸過程中是否遭到了竊聽者的竊聽。除了量子保密通信外，量子通信中還有另一種應(yīng)用方式，即量子隱形傳態(tài)。量子隱形傳態(tài)是利用已分發(fā)的量子糾纏，把粒子的量子狀態(tài)傳送至遙遠(yuǎn)距離。在量子糾纏的幫助下，待傳輸?shù)牧孔討B(tài)在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，以光速又在另一個地方神秘地出現(xiàn)，而且不是巧合。

《西游記》中的神仙、妖怪經(jīng)常玩“失蹤”，孫悟空一個跟頭就能翻出去十萬八千里，現(xiàn)代科幻小說中描寫的“星際穿越”，以及武俠小說中的“乾坤大挪移”，過去都只當(dāng)是科學(xué)幻想。現(xiàn)在看來，這些不是不可行，而是有可能。

2

量子通信因其安全性和廣闊的應(yīng)用前景，很快成為國際上量子物理和密碼學(xué)的研究熱點，受到各國政府和相關(guān)研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。

1992年，美國和加拿大的科學(xué)家首次實現(xiàn)了世界上第一個量子密鑰分發(fā)，傳輸距離32厘米，由此拉開了量子通信實驗研究的序幕。

1997年，奧地利塞林格小組在室內(nèi)首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實驗驗證；2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子隱形傳態(tài)距離提高到了600米。

正是在這個時候，潘建偉和他的研究團(tuán)隊，開始走進(jìn)人們的視野。

1996年，從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)的潘建偉，赴奧地利因斯布魯克大學(xué)留學(xué)，師從量子實驗研究的著名學(xué)者安東·塞林格教授。1997年，還是博士研究生的潘建偉以第二作者身份發(fā)表了題為《實驗量子隱形傳態(tài)》的論文。這個實驗，被公認(rèn)為量子信息實驗領(lǐng)域的開山之作。該論文與“愛因斯坦建立相對論”等劃時代的論文一同被《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。

2001年，潘建偉在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建量子物理與量子信息實驗室，經(jīng)過十多年的努力，帶出了一支聲震國際的量子“夢之隊”。

從32厘米到100公里，時間用了不到20年，卻打開了量子通信走向應(yīng)用的大門。2006年，潘建偉小組和美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室—歐洲慕尼黑大學(xué)—維也納大學(xué)聯(lián)合研究小組各自獨立實現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時實現(xiàn)了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗。

由潘建偉任首席科學(xué)家的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星成功發(fā)射后不到一年，2017年9月，世界首條1000公里級量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通。利用量子“京滬干線”與“墨子號”量子衛(wèi)星的天地鏈路，中科院與奧地利科學(xué)院進(jìn)行了人類歷史上第一次洲際量子保密通信視頻通話。

2019年8月15日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》報道，中國科學(xué)家潘建偉研究團(tuán)隊在國際上首次成功實現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)。美國物理學(xué)會等發(fā)表評論稱，這一成果為發(fā)展高效量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)，是量子通信領(lǐng)域的一個里程碑。（2022年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2022年諾貝爾物理學(xué)獎授予法國科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·塞林格，以表彰他們?yōu)榧m纏光子實驗、證明違反貝爾不等式和開創(chuàng)性的量子信息科學(xué)所作出的貢獻(xiàn)。頒獎委員會提到的安東·塞林格的四篇量子通信實驗文章。潘建偉是其中兩篇文章的第一作者，兩篇文章的第二作者。——編者按）

值得一提的是，2017年5月3日，潘建偉團(tuán)隊宣布，利用高品質(zhì)量子點單光子源，構(gòu)建了世界首臺針對特定問題的計算能力超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算原型機。這意味著，量子計算的技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅猛，誕生可以破解經(jīng)典密碼的量子計算機，也許并不遙遠(yuǎn)。

大膽假設(shè)，小心求證。探求未知的夢想，才是人類前進(jìn)的動力。應(yīng)該向那些執(zhí)著于探知未來的人們致敬。古往今來，正是因為有了他們，如潘建偉團(tuán)隊那樣，始終鍥而不舍地在與“量子們”的“糾纏”中，追逐夢想，揭示世界奧秘，展現(xiàn)神奇力量，才能讓人類不斷拓展所能認(rèn)知的更廣闊疆域，奔向原本以為遙不可及的遠(yuǎn)方。

斯雄：本名朱思雄，現(xiàn)為人民日報社吉林分社社長，高級編輯。曾獲中國新聞獎，被人民網(wǎng)評為“最受網(wǎng)友關(guān)注的十大網(wǎng)評人”。

編輯 閆清 1453337028@qq.com