量子通信时代来了?
更新时间:2017-06-20 16:05

2017年5月3日,中科院院士、中科大常务副校长潘建伟再一次站在聚光灯下。那天,他代表团队在上海宣布两件关于量子的喜讯:成功研制世界首台超越早期经典计算机的量子计算机;成功实现目前世界上数目(10个)超导量子比特纠缠。
作为中国量子领域研究的领军者,潘建伟雄心勃勃,但为人低调。
量子:一个物理量如果有基本单位,并不连续可以分割,就说这个物理量是量子化的,并把不可分割的单元称为量子。
潘建伟


前天,应浙江大学物理学系的邀请,潘建伟在浙大玉泉校区,做了一场“量子飞跃:神话传说到哲学到信息科技”的讲座。该讲座是物理学系在浙大120周年校庆期间的七场学术活动之一。而浙大物理系研究组,跟潘建伟一起合作完成了“10个超导量子比特纠缠”。
他个头不高,给人一种亲切、质朴的印象。一讲起量子,他的眼睛里就闪着光,大概这就是对科学的热忱,和对万物的好奇。

量子和孙悟空一样,会分身术和筋斗云

从普通人的视角看,量子科学似乎很遥远,还难懂。潘建伟便从神话传说入手,推开量子科学这扇神秘的大门。
在《西游记》中,孙悟空会分身术,筋斗云。毫毛一拔,到处一扔,就变出好多个分身;一个筋斗,翻出十万八千里,便能实现瞬间移动。
在量子世界里,量子就和孙悟空一样,会分身术,可以在两个不同的空间内同时存在。它也可以驾筋斗云,把客体信息,用量子隐形传态的方式从一个地方传到另一个遥远的地方。这就是它奇妙的特性——量子叠加与量子纠缠。
在量子力学里,量子体系可处于多个可能状态的叠加态,只有在被观测或测量时,才会随机地呈现出某种确定的状态,因此,对物质的测量意味着扰动,会永久地、不可避免地改变被测量子体系的状态。
对于量子叠加态,可以用“薛定谔的猫”来比喻:一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。在一小时内,大约有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,剩下50%的概率是放射性物质不会衰变而猫将活下来。
如果我们不打开盒子,根据我们在日常生活中的经验,可以认定,猫或者死,或者活,只有这两种可能。但是在量子世界中,猫可以处于一种死与活的叠加态。
如果没有打开盒子,进行观察,我们永远也不知道猫是死是活,它将永远处于既死又活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间,才能确切地知道猫是死是活。“打开盒子,就是一种‘观测’或‘测量’。”潘建伟说。

潘建伟进一步上升到了哲学:

量子力学告诉我们,以个人的行为、价值、标准为基础的测量行为,可以影响世界。这要比牛顿力学哲学积极。牛顿力学本质上讲是一种宿命论,“一旦一个粒子和它相互作用的体系的初始状态是决定的话,那么这个粒子和它相互作用的体系的未来运动状态,根据F=ma这个方程就可以预测出来了。那么,我们的命运跟个人的奋斗是没有关系的。”
“量子纠缠,通俗讲有点像心电感应,比如说我俩现在见过面,已经达成一些默契,然后我回合肥,你在杭州,你特别高兴的时候我也会特别高兴,你特别痛苦的时候,我也会特别痛苦。”潘建伟说。
潘建伟拿骰子来类比,如果两个骰子处于纠缠之中,只要在杭州的朋友掷一下骰子,在合肥的他只要看看手中的骰子就知道对方手中的数字,因为纠缠使得这两个骰子是互动的。
“这是粒子间的神秘联系,奇妙在于,其中的一个粒子经过测量就可以了解另外一个粒子的状态;量子纠缠是一个整体,两个粒子作为一个整体来看时,如果试图窃听或偷走其中一个粒子的信息,你将任何信息都得不到。这就是它保密安全性所在。”他解释道。
粒子:指能够以自由状态存在的物质组成部分,例如原子、中子、质子、电子等。

用量子实现星际旅行,这也是潘建伟的梦想

看似神秘的量子科学,带来了科技的变革,催生了半导体、原子能、核磁共振、激光、超导、巨磁阻、全球卫星定位系统等重大技术的发明。
目前的量子通信就是利用了单光子不可以再分割,也不能再进行测量的特性。
量子科学还可以来做一些非常有趣的事情,比如超强能力的量子计算,比如GPS导航、全球定位等很多技术中的精密测量。并且,它衍生的量子信息技术,已然成为国际研究热点,并逐渐开启应用之门——量子信息有望以其超强的安全性和运算能力,带来信息技术的变革。

量子通信优势

◎量子通信每秒可以送五个G。应用作量子计算机,大数据分析时0.01秒就可以算完。
◎量子保密通信的终端机未来可能降至万元以下,进入家庭完全有可能,市场广阔。
◎量子密钥具有不可克隆特质,如果密钥在传输过程中遭遇窃听,收发双方就会知道。
潘建伟和他的团队对量子科学的研究,逐渐把量子科学送进我们的生活,改变着我们的生活。
目前,已经建成连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络——“京沪干线”。
去年8月16日1时40分,成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,将首次在太空与地面之间开展远距离量子通信的实验研究。
通过量子纠缠,能大幅度提升导航激光制导水下定位,医学检测和引力波探测的准确性和精确性。
潘建伟提到了开普勒的一封信:“我们应该建造适合飞向神圣天空的船与帆,然后也会有这样的先驱者,面对无边的太空,他们毫不退缩。”
因此,潘建伟总是激励自己,科学家必须要有非常好的想象力,要敢于展望。“我们也可以大胆问一下,什么时候可以用量子来实现星际旅行?”如果要对外星人提问,他想问,“量子纠缠是怎么回事儿?”
“目前它的存在性已经在实验上被建立起来,但是,为什么会有这种现象?目前仍不得而知。”潘建伟说,“就相当于我们很早就知道太阳东升西落这个现象,但一直到牛顿力学建立,知道了万有引力,知道了公转、自转,才知道了原理。”

潘建伟:工匠精神让我们比较专心

1970年3月,潘建伟出生在浙江东阳,从小是个爱玩的孩子。他曾说,父母从小就很重视对他能力的培养,从不限制他做什么,他可以做自己感兴趣的事。
“感谢我的父母把家搬到了县城,因为到了初中,才发现在农村小学语文基础很差,英语根本就没有学过,初中后才写作文,结果班主任老师只给了40分,当时我是班长,觉得很羞愧。但我有一种不怕输的精神,为了把英语学好,把同学约到家里来学,向老师请教,进步非常快。语文、英语就在那时打下了基础。”潘建伟说。
1987年,潘建伟毕业于东阳中学。“东阳中学对我的影响很大,现在团队里面有好多东阳人,成绩非常不错的叫陆朝阳,他就是东阳中学毕业的。东阳工匠比较多,木雕也做得不错,泥水匠也做得不错,工匠精神让我们做什么都比较专心。”

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