時(shí)間：2022-08-26 15:24:09
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量子力學(xué)誕生于1926年，是人類對微觀世界加以認(rèn)識的理論基礎(chǔ)之一。量子力學(xué)和相對論之間的不相容性在1935年被愛因斯坦、波多爾基斯和羅森論證后，約翰•貝爾于1964年提出貝爾理論，，阿斯派克等人于1982年證明了超光速響應(yīng)的存在。1989年第一次演示成功量子密鑰傳輸，1997年量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證由奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成，2004年，該小組又將量子態(tài)隱形傳輸距離成功提高到600米。2007年開始我國架設(shè)了長達(dá)16公里的自由空間量子信道，于2009年成功實(shí)現(xiàn)世界上量子隱形傳態(tài)的最遠(yuǎn)距離。
二、量子通信技術(shù)的發(fā)展趨勢
量子通信技術(shù)的研究方向除了包括量子隱形傳態(tài)還包括量子安全直接通信等，突破了現(xiàn)有信息技術(shù)，引起了學(xué)術(shù)界和社會的高度重視。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，量子通信除具有超強(qiáng)抗干擾能力外且不需對傳統(tǒng)信道進(jìn)行借助；與此同時(shí)量子通信的密碼被破譯的可能性幾乎沒有，具有較強(qiáng)的保密性；另外，量子通信幾乎不存在線路時(shí)延，傳輸速度很快。量子通信發(fā)展僅僅經(jīng)歷了20年左右，但其發(fā)展卻十分迅猛，目前已經(jīng)被很多國家和軍方給予高度關(guān)注。
量子通信在國防和軍事上具有廣闊的應(yīng)用前景，作為量子技術(shù)的最大特征，量子技術(shù)的安全性是傳統(tǒng)加密通信所無可企及的。量子通信技術(shù)的超強(qiáng)保密性，能夠有效保證己方軍事密件和軍事行動不被敵方破譯及偵析，在國防和軍事領(lǐng)域顯示出無與倫比的魅力。另一方面，在破解復(fù)雜的加密算法上，也許現(xiàn)有計(jì)算機(jī)可能需要好幾萬年的時(shí)間，在現(xiàn)實(shí)中是完全無法接受且?guī)缀鯖]有實(shí)用價(jià)值的。但量子計(jì)算機(jī)卻能在幾分鐘內(nèi)將加密算法破解，如果未來這種技術(shù)被投入實(shí)用，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)密碼體制將處于危險(xiǎn)之中，而量子通信技術(shù)則能能夠抵御這種破解和威脅。
在民間通信領(lǐng)域量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景也同樣廣闊。中國科技大學(xué)在2009年對界上首個(gè)5節(jié)點(diǎn)的全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組建后，使得實(shí)時(shí)語音量子保密通信被首次實(shí)現(xiàn)，城市范圍的安全量子通信網(wǎng)絡(luò)在這種“城域量子通信網(wǎng)絡(luò)”基礎(chǔ)上成為了現(xiàn)實(shí)。
三、總結(jié)
量子信道的建立速率定義為兩個(gè)量子通信節(jié)點(diǎn)之間建立量子糾纏對的速率.基于糾纏態(tài)的量子通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有以下三個(gè)功能:遠(yuǎn)程傳態(tài)功能、產(chǎn)生并向周圍節(jié)點(diǎn)分發(fā)糾纏粒子功能和糾纏連接功能.其中糾纏連接功能由糾纏交換功能和糾纏純化功能組成[2324],采用糾纏連接,可以為不存在糾纏粒子對的節(jié)點(diǎn)提供糾纏中繼.在該網(wǎng)絡(luò)中,距離較近的節(jié)點(diǎn)可直接分發(fā)糾纏粒子,建立量子信道,而相距較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)不直接分發(fā)高保真度糾纏粒子,需要通過中間節(jié)點(diǎn)依次中繼,建立兩節(jié)點(diǎn)間高保真度的量子信道.量子通信網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示.圖1中個(gè)節(jié)點(diǎn)以單位密度分布在正方形的二維平面中,分布區(qū)域的正方形面積。整個(gè)分布區(qū)域的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為,各節(jié)點(diǎn)在空間中隨機(jī)分布,假設(shè)在不相交區(qū)域中節(jié)點(diǎn)數(shù)目相互獨(dú)立,則節(jié)點(diǎn)的分布滿足空間泊松過程.該量子通信網(wǎng)絡(luò)有以下特點(diǎn):1)所有的節(jié)點(diǎn)功能相同,可與相鄰節(jié)點(diǎn)直接通信,也可通過相鄰節(jié)點(diǎn)為中繼與遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)通信;2)量子信息通過量子糾纏對傳輸,但節(jié)點(diǎn)之間不預(yù)先存儲量子糾纏對;3)對于相鄰節(jié)點(diǎn),在通信開始階段,節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行糾纏粒子生成,生成的糾纏粒子傳輸至相鄰節(jié)點(diǎn),得到高保真度的糾纏對以供量子信息傳輸。4)對于相距較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn),需要先找到一條可以連接待通信兩節(jié)點(diǎn)的拓?fù)渫?通過通路上節(jié)點(diǎn)的糾纏連接操作,在遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)間得到高保真度的糾纏對.本文分別對該模型下任意兩節(jié)點(diǎn)間的量子信道建立速率進(jìn)行分析,包括基礎(chǔ)鏈路、中繼長鏈路以及趨于無窮大時(shí)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)距離兩節(jié)點(diǎn)間的量子信道建立速率.
2量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)鏈路的信道建立速率
在基于糾纏態(tài)的量子通信網(wǎng)絡(luò)中,將可以直接通過糾纏粒子分發(fā)建立量子信道的節(jié)點(diǎn)稱為相鄰節(jié)點(diǎn),相鄰兩節(jié)點(diǎn)間通過糾纏粒子形成的量子通路稱為基礎(chǔ)鏈路.不存在基礎(chǔ)鏈路的節(jié)點(diǎn)之間可以通過中繼節(jié)點(diǎn)之間的基礎(chǔ)鏈路建立量子信道.文獻(xiàn)[25]對基礎(chǔ)鏈路上的信道建立速率進(jìn)行了分析.基礎(chǔ)鏈路上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)由于內(nèi)部糾纏粒子的存儲空間有限,所以節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生糾纏粒子對的頻率也受到限制.假設(shè)節(jié)點(diǎn)光子產(chǎn)生糾纏粒子操作的頻率為,節(jié)點(diǎn)按成功概率生一定保真度的糾纏粒子對,為兩節(jié)點(diǎn)之間的距離,為光速,則相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間成功得到一個(gè)糾纏光子對的平均時(shí)間。
3中繼長鏈路的量子信道建立速率分析
非相鄰兩節(jié)點(diǎn)間如果可以通過中繼節(jié)點(diǎn)建立量子信道,則兩節(jié)點(diǎn)間的量子通路稱為中繼長鏈路.相鄰節(jié)點(diǎn)之間可以直接生成量子糾纏對以傳遞量子信息,但中繼長鏈路上需要各中繼節(jié)點(diǎn)通過糾纏連接,消耗中繼節(jié)點(diǎn)上的量子糾纏對,從而在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間得到高保真度的量子糾纏對,建立量子信道.圖2為僅有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的三節(jié)點(diǎn)中繼長鏈路,假設(shè)節(jié)點(diǎn)Alice為源節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)Carol為目的節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)Bob為中繼節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)Bob和相鄰節(jié)點(diǎn)Alice,Carol分別共享量子糾纏對A1-B1和B2-C1.該過程中,節(jié)點(diǎn)Bob對位于本節(jié)點(diǎn)的量子比特B1和B2執(zhí)行貝爾基測量,即可得知A1,C1的糾纏狀態(tài).在最大糾纏態(tài)情形下,糾纏連接即形成.在非最大糾纏態(tài)情形下,糾纏連接概率性形成,。由于各基礎(chǔ)鏈路上糾纏粒子生成和糾纏連接操作的順序不同,可以得到不同的量子信道建立方法,不同的量子信道建立方法對應(yīng)不同的量子信道建立速率.我們對逐點(diǎn)和分段兩種量子信道建立方法所對應(yīng)的量子信道建立速率進(jìn)行分析.如圖3所示,假設(shè)一條中繼長鏈路由個(gè)節(jié)點(diǎn)和1條基礎(chǔ)鏈路所構(gòu)成,設(shè)源節(jié)點(diǎn)編號為1,目的節(jié)點(diǎn)的編號為,鏈路上的節(jié)點(diǎn)和基礎(chǔ)鏈路依次編號.假設(shè)節(jié)點(diǎn)1和之間已建立量子信道,節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間也已建立量子信道,對某節(jié)點(diǎn)進(jìn)行糾纏連接操作,可得建立該量子信道的速率。如圖4所示,逐點(diǎn)量子信道建立方法中各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)上的糾纏生成和糾纏連接操作依次進(jìn)行,其步驟如下:1)生成中繼節(jié)點(diǎn)2與源節(jié)點(diǎn)1之間的糾纏粒子對;2)生成中繼節(jié)點(diǎn)2和下一中繼節(jié)點(diǎn)3之間的糾纏粒子對,中繼節(jié)點(diǎn)2進(jìn)行糾纏連接,使得源節(jié)點(diǎn)1與中繼節(jié)點(diǎn)3建立量子信道;3)生成中繼節(jié)點(diǎn)3和中繼節(jié)點(diǎn)4之間糾纏粒子對,中繼節(jié)點(diǎn)3進(jìn)行糾纏連接,使得源節(jié)點(diǎn)1與中繼節(jié)點(diǎn)4建立量子信道;4)逐點(diǎn)進(jìn)行,最后生成中繼節(jié)點(diǎn)(1)和中繼節(jié)點(diǎn)間糾纏粒子對,中繼節(jié)點(diǎn)(1)進(jìn)行糾纏連接,建立源節(jié)點(diǎn)1和目的節(jié)點(diǎn)間建立量子信道.逐點(diǎn)量子信道建立方法需要在2個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行不相互獨(dú)立的糾纏連接操作.基礎(chǔ)鏈路的信道建立速率由量子糾纏分發(fā)速率決定.糾纏光子經(jīng)由光纖或自由空間信道傳輸,再經(jīng)過本地操作實(shí)現(xiàn)量子糾纏分發(fā),該過程所需時(shí)間設(shè)為常數(shù)。
4基于逾滲模型的二維量子通信網(wǎng)絡(luò)量子信道建立速率
量子通信網(wǎng)絡(luò)的模型與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)模型類似,都可建模為個(gè)節(jié)點(diǎn)利用傳輸信道進(jìn)行信息傳遞,所不同之處在于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)使用的是傳統(tǒng)無線或者有線信道,而基于糾纏態(tài)的量子通信網(wǎng)絡(luò)使用的是糾纏粒子構(gòu)成的量子信道.與經(jīng)典無線通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格劃分相似,可采用逾滲模型對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行分析.逾滲模型證明通過適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格劃分可保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性,使得網(wǎng)絡(luò)中的任意源節(jié)點(diǎn)和任意目的節(jié)點(diǎn)總可找到一條中繼鏈路相連,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中將形成高速公路(highway),高速公路可為其他不在高速公路上的節(jié)點(diǎn)提供中繼[16].將圖1中節(jié)點(diǎn)數(shù)目為的量子通信網(wǎng)絡(luò)平面劃分為邊長為的正方形網(wǎng)格,若某個(gè)網(wǎng)格中至少含有一個(gè)節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)可為相鄰網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)提供中繼,則這個(gè)網(wǎng)格視為連通的.由單位密度泊松點(diǎn)過程的概率分布規(guī)律,網(wǎng)格中至少含有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率為(si1)=1e2,其中si代表單個(gè)網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)數(shù).網(wǎng)格邊長足夠大時(shí),可保證網(wǎng)格中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率足夠大.當(dāng)網(wǎng)格連通概率大于二維正方形逾滲的逾滲閾值時(shí),將會出現(xiàn)無限大連通集團(tuán),整個(gè)量子通信網(wǎng)絡(luò)必然是連通的,即網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間存在直接量子信道或者由多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)組成的量子信道.當(dāng)網(wǎng)格連通概率大于二維正方形逾滲的逾滲閾值時(shí),將在水平方向和垂直方向由連通的網(wǎng)格依次相連形成大規(guī)模的連通鏈路,這種連通鏈路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為高速公路.高速公路上分布著大量的中繼節(jié)點(diǎn),且這些相鄰中繼節(jié)點(diǎn)之間的最遠(yuǎn)距離由網(wǎng)格的邊長決定,使得基礎(chǔ)鏈路的長度最長不超過網(wǎng)格對角線長.高速公路存在于網(wǎng)絡(luò)水平方向和垂直方向,源節(jié)點(diǎn)找到離自己最近的高速公路入口節(jié)點(diǎn),然后在水平方向的高速公路找到與目的節(jié)點(diǎn)垂直距離最近的節(jié)點(diǎn),接著通過該節(jié)點(diǎn)沿著垂直方向的高速公路找到與目的節(jié)點(diǎn)最近的出口節(jié)點(diǎn).由于高速公路的存在,若源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)都在高速公路上,則這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可直接利用高速公路的中繼作用建立量子信道,若源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)至少有一個(gè)不在高速公路上,則應(yīng)先找到最近的高速公路入口節(jié)點(diǎn)或出口節(jié)點(diǎn),再通過高速公路中繼,從而建立量子信道。由此可知,高速公路上的基礎(chǔ)鏈路的量子信道建立速率僅與節(jié)點(diǎn)的量子存儲空間、網(wǎng)格劃分的對角線長度、給定的量子信息保真度有關(guān),與總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)無關(guān),故相對于為常數(shù)階.不在高速公路上的節(jié)點(diǎn)要先找到離它最近的高速公路節(jié)點(diǎn)作為入口節(jié)點(diǎn)或者出口節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)與入口節(jié)點(diǎn)之間以及目的節(jié)點(diǎn)與出口節(jié)點(diǎn)之間存在基礎(chǔ)鏈路,該基礎(chǔ)鏈路的量子信道建立速率與總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)有關(guān),由于不在高速路的點(diǎn)與最近的高速公路節(jié)點(diǎn)的距離不大于log+22[21],故該基礎(chǔ)鏈路的速率。因此對中繼長鏈路而言,分段量子信道建立方法的量子信道建立速率更高.因此我們對長鏈路上使用分段量子信道建立方法進(jìn)行分析.根據(jù)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分布不同,可分為以下兩種場景.場景1:若源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)都在高速公路上,則對于有Ω()個(gè)節(jié)點(diǎn)的這條長中繼鏈路,基礎(chǔ)鏈路的最長距離由網(wǎng)格劃分的邊長決定,此時(shí)基礎(chǔ)鏈路上的量子信道建立速率為常數(shù)階,源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)成功得到量子糾纏對的速率。所以當(dāng)量子通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都利用逾滲模型所指出的高速公路進(jìn)行長鏈路的中繼通信,且采用分段量子信道建立方法時(shí),整個(gè)量子通信網(wǎng)絡(luò)的量子信道建立速率為Ω(1/).由于場景2的量子信道建立速率小于場景1的量子信道建立速率,整個(gè)量子信息網(wǎng)絡(luò)的量子信道建立速率上限值由兩者的較小值所決定的,故量子通信網(wǎng)絡(luò)的量子信道建立速率為Ω(1/).
5結(jié)論
1.1量子秘鑰分發(fā)
量子秘鑰分發(fā)不是用于傳送保密內(nèi)容,而是在于建立和傳輸密碼本,即在保密通信雙方分配秘鑰,俗稱量子密碼通信。1984年，美國的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84協(xié)議，即用量子比特作為信息載體，利用光的偏振特性對量子態(tài)進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)對秘鑰的產(chǎn)生和安全分發(fā)。1992年，Bennett提出了基于兩個(gè)非正交量子態(tài)，流程簡單，效率折半的B92協(xié)議。這兩種量子秘鑰分發(fā)方案都是建立在一組或多組正交及非正交的單量子態(tài)上。1991年，英國的Ekert提出了基于兩粒子最大糾纏態(tài)，即EPR對的E91方案。1998年，又有人提出了在三組共軛基上進(jìn)行偏振選擇的六態(tài)方案量子通信，它是由BB84協(xié)議中的四種偏振態(tài)和左右旋組成。BB84協(xié)議被證明是迄今為止無人攻破的安全秘鑰分發(fā)方式，量子測不準(zhǔn)原理和量子不可克隆原理，保證了它的無條件安全性。EPR協(xié)議具有重要的理論價(jià)值，它將量子糾纏態(tài)與量子保密通信聯(lián)系起來，為量子保密通信開辟了新途徑。
1.2量子隱形傳態(tài)
1993年由Bennett等6國科學(xué)家提出的量子隱形傳態(tài)理論是一種純量子傳輸方式，利用兩粒子最大糾纏態(tài)建立信道來傳送未知量子態(tài)，隱形傳態(tài)的成功率必定會達(dá)到100%。199年，奧地利的A．Zeilinger小組在室內(nèi)首次完成量子隱形態(tài)傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在不少影片中常出現(xiàn)如此的情節(jié)：一個(gè)在某處突然消失的神秘人物突然出現(xiàn)在另一處。由于量子隱形傳態(tài)違背了量子力學(xué)中的量子不可克隆原理和海森堡不確定原理，因此它在經(jīng)典通信中只不過是一種科幻而已。然而量子通信中引入了量子糾纏這一特殊概念，將原物未知量子態(tài)信息分成量子信息和經(jīng)典信息兩部分，使得這種不可思議的奇跡得以發(fā)生，量子信息是在測量過程未提取的信息，經(jīng)典信息是對原物進(jìn)行某種測量。
二、量子通信的進(jìn)展
從1994年開始，量子通信已經(jīng)逐步進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，并向?qū)嵱没繕?biāo)邁進(jìn)，具有巨大的開發(fā)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。1997年，中國青年科學(xué)家潘建偉與荷蘭科學(xué)家波密斯特等人試驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。2004年4月Lorunser等利用量子糾纏分發(fā)第一次實(shí)現(xiàn)1.45KM的銀行間數(shù)據(jù)傳輸，標(biāo)志著量子通信從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用階段。目前量子通信技術(shù)已經(jīng)引起各國政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。一些國際著名公司也積極發(fā)展量子信息的商業(yè)化，如英國電話電報(bào)公司，美國的Bell、IBM、AT&T等實(shí)驗(yàn)室，日本的東芝公司，德國的西門子公司等。2008年，歐盟“基于量子密碼的全球保密通信網(wǎng)絡(luò)開發(fā)項(xiàng)目”組建的7節(jié)點(diǎn)保密通信演示驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)試運(yùn)行成功。2010年，美國《時(shí)代周刊》在“爆炸性新聞”專欄中以“中國量子科學(xué)的飛躍”為題報(bào)道了中國在16公里量子隱形傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)成功，標(biāo)志中國有能力建立地面與衛(wèi)星間的量子通信網(wǎng)絡(luò)。2010年，日本國家情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合三菱電機(jī)和NEC，以及瑞士IDQuantique公司、東芝歐洲有限公司和奧地利的AllVienna公司在東京成立了六節(jié)點(diǎn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)“TokyoQKDNetwork”。該網(wǎng)絡(luò)集中了目前日本及歐洲在量子通信技術(shù)上發(fā)展水平最高的研究機(jī)構(gòu)和公司的最新研究成果。
三、量子通信展望
關(guān)鍵詞：量子通信定義 量子通信理論由來 駁倒愛因斯坦的實(shí)驗(yàn)論據(jù)
一、量子通信定義
量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等，近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注?；诹孔恿W(xué)的基本原理，量子通信具有高效率和絕對安全等特點(diǎn)，并因此成為國際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。
二、量子通信理論由來
“1935年5月的一天早晨，愛因斯坦像往常一樣準(zhǔn)時(shí)來到普林斯頓高等研究院的辦公室。他來普林斯頓小鎮(zhèn)快兩年了，已經(jīng)熟悉并開始喜歡這個(gè)恬靜的“室外桃園”。辦公桌上放著他和助手波多爾斯基、羅森一起剛剛發(fā)表在《物理評論》上的論文。他拿起來看了看，臉上露出孩子般頑皮的微笑――這回他終于可以戰(zhàn)勝老對手玻爾了。與此同時(shí)，在大西洋彼岸的哥本哈根大學(xué)玻爾研究所，愛因斯坦的文章立刻引起了物理學(xué)家玻爾的關(guān)注和不安。這對他來說簡直是個(gè)晴天霹靂！玻爾立刻放下所有的工作，他說：‘我們必須睡在問題上。’愛因斯坦和玻爾是20世紀(jì)兩位最偉大的物理學(xué)家，他們都為量子理論的建立做出了奠基性的貢獻(xiàn)。然而，他們對于這個(gè)理論的含義卻一直爭論不休。這一爭論被稱為‘關(guān)于物理學(xué)靈魂的論戰(zhàn)’?！报D―引自郭光燦院士《愛因斯坦的幽靈：量子糾纏之謎》。
郭光燦院士書中所指的“物理學(xué)靈魂”的論戰(zhàn)，與“量子糾纏”現(xiàn)象有著莫大的關(guān)系。 在量子力學(xué)中，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子發(fā)生變化就能立即影響到另外一個(gè)粒子，即兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都能“感知”和影響對方的狀態(tài)，這就是量子糾纏。盡管愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現(xiàn)象的存在，但卻不愿意接受它，并斥之為“幽靈般的超距作用（spooky action at a distance）”。
三、駁倒愛因斯坦的實(shí)驗(yàn)論據(jù)
對EPR實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證始于1960年，在1980年終于獲得有說服力的結(jié)果。這些是實(shí)驗(yàn)大多都是以光子來做為自旋關(guān)聯(lián)。主要是利用院子的級聯(lián)輻射，選擇出光子動量為0的情形。1982年，法國物理學(xué)家艾倫•愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了微觀粒子“量子糾纏”（quantum entanglement）的現(xiàn)象確實(shí)存在，這一結(jié)論對西方科學(xué)的主流世界觀產(chǎn)生了重大的沖擊。它證實(shí)了任何兩種物質(zhì)之間，不管距離多遠(yuǎn)，都有可能相互影響，不受四維時(shí)空的約束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深層次的內(nèi)在聯(lián)系。
四、突破傳統(tǒng)的通信方式
1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位來自不同國家的科學(xué)家，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的方案：將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方，把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處。在量子通信系統(tǒng)中，共享信息的兩個(gè)人必須共享幾乎一致的兩個(gè)成對產(chǎn)生并永遠(yuǎn)纏結(jié)在一起的光子。一旦信息被帶到第一個(gè)光子上，它將會消失并重現(xiàn)在第二個(gè)光子上，以實(shí)現(xiàn)不加外力方式傳輸信息。不加外力傳輸?shù)母拍钍且粤孔游锢韺W(xué)為基礎(chǔ)的，它所使用的是具有波、粒兩重性但沒有電荷和質(zhì)量的光子，而不是常規(guī)使用的電子。在量子通信中，報(bào)文是以不加外力傳輸方式傳輸?shù)摹２患油饬鬏敺绞骄褪鞘剐畔⒃谝粋€(gè)地方消失，從而使其能在另一個(gè)地方出現(xiàn)的過程。它不需要通過空中、太空或線路傳輸。在這一過程中，發(fā)送者與接收者共享所需光子的數(shù)量，決于所發(fā)送報(bào)文的長度。在量子通信中，由于光子只能成對產(chǎn)生，因此，所有量子的不加外力方式只能在一個(gè)發(fā)送者和一個(gè)接收者之間進(jìn)行。如果接收者需要將報(bào)文傳送給其他人，則每次必須共享和使用纏結(jié)在一起的新的一對光子。因此，量子網(wǎng)絡(luò)必須一個(gè)鏈路一個(gè)鏈路地建立。
利用量子信息技術(shù)之一量子密碼術(shù)，可實(shí)其基本思想是：將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對原物進(jìn)行某種測量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測量中未提取的其余信息；接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對這個(gè)量子態(tài)一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態(tài)上。在這個(gè)方案中，糾纏態(tài)的非定域性起著至關(guān)重要的作用。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J(rèn)識與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。
五、量子通信的發(fā)展?fàn)顩r
量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景，而且逐漸走進(jìn)人們的日常生活。
為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實(shí),從上世紀(jì)90年代開始,國內(nèi)外科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學(xué)基金會、國防高級研究計(jì)劃局都對此項(xiàng)目進(jìn)行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項(xiàng)目多達(dá)12個(gè)，日本郵政省把量子通信作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略項(xiàng)目。我國從上世紀(jì)80年代開始從事量子光學(xué)領(lǐng)域的研究，近幾年來，中國科技大學(xué)的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。
2006年夏,我國中國科技大學(xué)教授潘建偉小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)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(dú)立實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，由此打開了量子通信走向應(yīng)用的大門。2008年底，潘建偉的科研團(tuán)隊(duì)成功研制了基于誘騙態(tài)的光纖量子通信原型系統(tǒng)，在合肥成功組建了世界上首個(gè)3節(jié)點(diǎn)鏈狀光量子電話網(wǎng)，成為國際上報(bào)道的絕對安全的實(shí)用化量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)研究的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之一（另一小組為歐洲聯(lián)合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)）。
該研究成果于5月1日以長文形式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上。
量子密鑰分發(fā)是最先有望實(shí)用化的量子信息技術(shù)，它可以帶來絕對安全的信息傳輸方式，因此，科學(xué)家們一直致力于全球化量子密鑰分發(fā)的研究。而要實(shí)現(xiàn)全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，人們需要突破距離的限制。目前，由于光纖損耗和探測器的不完美性等因素的限制，以光纖為信道的量子密鑰分發(fā)的距離已基本到達(dá)極限，而由于地球曲率和遠(yuǎn)距可視等條件的限制，地面間自由空間的量子密鑰分發(fā)也很難實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的距離，因此，要實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的甚至是全球任意兩點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)，基于低軌道衛(wèi)星的量子密鑰分發(fā)是最具潛力和可行性的方案。而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，則需要克服大氣層的傳輸損耗、量子信道效率、背景噪音等諸多問題。
為了克服星地量子密鑰分發(fā)的上述困難，中科院協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在中國科大上海研究院、中科院上海技物所和光電技術(shù)研究所進(jìn)行了多年的合作技術(shù)攻關(guān)，自主研制了高速誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)光源和輕便的收發(fā)整機(jī)，自主發(fā)展了高精度的跟瞄、高精度同步和高衰減鏈路下的高信噪比及低誤碼率單光子探測等關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)利用旋轉(zhuǎn)平臺來模擬低軌道衛(wèi)星的角速度和角加速度；利用熱氣球來模擬隨機(jī)振動和衛(wèi)星姿態(tài)；利用百公里地面自由空間信道來模擬星地之間高衰減鏈路信道，從而成功地驗(yàn)證了星地之間安全量子信道的可行性。
據(jù)了解，該研究為我國通過發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)和在大尺度量子理論基礎(chǔ)檢驗(yàn)，以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論，奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。這是繼去年實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)和百公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸與糾纏分發(fā)后，中科院量子科技先導(dǎo)專項(xiàng)取得的又一階段性重要突破，同時(shí)也是量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的最新重要成果。
中國科學(xué)家成功破譯H5N1分子機(jī)制
新華網(wǎng)消息，中國科學(xué)家在美國《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)告說，他們“破譯”了H5N1禽流感病毒感染人的分子機(jī)制，這一發(fā)現(xiàn)對防止禽流感病毒擴(kuò)散具有重要意義。
此前科學(xué)家已經(jīng)知道禽流感病毒可以感染人，并確認(rèn)病毒表面一種名為血凝素（HA）蛋白的突變，讓禽流感病毒能夠通過空氣在雪貂之間傳播，但科學(xué)家一直不了解完成這一過程的分子機(jī)制。
中國科學(xué)院病原微生物與免疫學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員借助蛋白質(zhì)大分子晶體學(xué)研究方法，微觀研究了HA蛋白與相關(guān)受體的結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，一旦HA蛋白發(fā)生某種結(jié)構(gòu)變化，其受體結(jié)合特性就會從禽類變成人類。
論文作者施一對新華社記者介紹說，原來H5N1病毒一直被限制在禽類身上，偶爾有散發(fā)的人類感染病例，但當(dāng)HA蛋白受體結(jié)合部位226L位發(fā)生谷氨酸一亮氨酸突變時(shí)，H5N1病毒就會改變其結(jié)合特性，更容易感染人類。
這項(xiàng)計(jì)劃將由谷歌的量子人工智能（Quantum Artificial Intelligence）研究小組來實(shí)施。谷歌在博客中透露，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的一個(gè)研究小組也加入了這項(xiàng)計(jì)劃。
谷歌去年的研發(fā)開支達(dá)到80億美元。為了在互聯(lián)網(wǎng)搜索和在線廣告等市場保持領(lǐng)先地位，谷歌目前正在開發(fā)一些新的計(jì)算機(jī)技術(shù)。在科技行業(yè)中的一些人看來，量子技術(shù)是計(jì)算機(jī)進(jìn)行海量數(shù)據(jù)分析的一種革命性方式。這種新技術(shù)對谷歌的主要業(yè)務(wù)尤其有幫助，對它的新項(xiàng)目――如聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)汽車――也是有用的。
“在一個(gè)硬件研發(fā)團(tuán)隊(duì)的協(xié)助下，量子人工智能研究小組現(xiàn)在能夠落實(shí)新的設(shè)計(jì)并測試新的產(chǎn)品。”谷歌在博客中寫道。
在整理和分析海量數(shù)據(jù)方面，量子計(jì)算機(jī)將具有比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快的解決速度。谷歌量子人工智能小組成員馬蘇德?莫森（Masoud Mohseni）曾經(jīng)與人合作撰寫過具有領(lǐng)先學(xué)術(shù)水平的量子技術(shù)論文。谷歌也一直被視為這一新技術(shù)革命的領(lǐng)導(dǎo)力量之一。
此外，谷歌的競爭對手微軟也在進(jìn)軍這個(gè)新領(lǐng)域，并建立了一個(gè)名為“量子架構(gòu)和計(jì)算（Quantum Architectures and Computation Group）”的研究小組。
探秘量子計(jì)算機(jī)
量子計(jì)算機(jī)，早先由理查德?費(fèi)曼提出，一開始是從物理現(xiàn)象的模擬而來的?？伤l(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，因?yàn)辇嫶蟮南柌乜臻g使資料量也變得龐大，一個(gè)完好的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實(shí)際的天文數(shù)字。理查德?費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象，則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少。量子計(jì)算機(jī)的概念從此誕生。
從物理層面上來看，量子計(jì)算機(jī)不是基于普通的晶體管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如質(zhì)子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（學(xué)校實(shí)驗(yàn)大多用這個(gè)）等等作為載體。當(dāng)然從理論上來看任何一個(gè)多能級系統(tǒng)都可以作為量子比特的載體。
從計(jì)算原理上來看，量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)既可以是離散的本征態(tài)（如傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)一樣），也可以是疊加態(tài)（幾種不同狀態(tài)的幾率疊加），對信息的操作從傳統(tǒng)的“和”，“或”，“與”等邏輯運(yùn)算擴(kuò)展到任何幺正變換，輸出也可以是疊加態(tài)或某個(gè)本征態(tài)。所以量子計(jì)算機(jī)會更加靈活，并能實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。
量子計(jì)算機(jī)或不再遙遠(yuǎn)
據(jù)外媒報(bào)道，美國普林斯頓大學(xué)研究人員近日設(shè)計(jì)出一種裝置，可以讓光子遵循實(shí)物粒子的運(yùn)動規(guī)律?，F(xiàn)存的計(jì)算機(jī)是基于經(jīng)典力學(xué)研發(fā)而成的，在解釋量子力學(xué)方面有很大局限性。量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物理裝置。
研究人員制作出一種超導(dǎo)體，里面有1000億個(gè)原子，在聚集起來之后，眾多原子如同一個(gè)大的“人工原子”?？茖W(xué)家把“人工原子”放在載有光子的超導(dǎo)電線上，結(jié)果顯示，光子在“人工原子”的影響下改變了原有的運(yùn)動軌跡，開始呈現(xiàn)實(shí)物粒子的性質(zhì)。例如，在正常情況下，光子之間是互不干涉的，但是在這一裝置里，光子開始相互影響，呈現(xiàn)出液體和固體粒子的運(yùn)動特性，光子的這種運(yùn)動“前所未有”。
現(xiàn)存的計(jì)算機(jī)是基于經(jīng)典力學(xué)研發(fā)而成的，在解釋量子力學(xué)方面有很大局限性。量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物理裝置。研究人員稱，在改變光子的運(yùn)動規(guī)律之后，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)明也許不再遙遠(yuǎn)。
就我國量子計(jì)算機(jī)而言，相關(guān)研究也一直處于世界領(lǐng)先水平。早在2013年12月30日，美國物理學(xué)會《物理》雜志就公布了2013年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十一項(xiàng)重大進(jìn)展，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事張強(qiáng)、馬雄峰和陳騰云等“利用測量器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)解決量子黑客隱患”的研究成果位列其中。
《物理》雜志以“量子勝利的一年――但還沒有量子計(jì)算機(jī)”為題報(bào)道了中國科學(xué)家成功解決量子黑客隱患這一重要成果。
盡管量子計(jì)算機(jī)仍然是遙遠(yuǎn)的未來，但2013年科學(xué)家們卻報(bào)道了一系列量子信息和量子通信領(lǐng)域的勝利。在量子密碼方面，兩個(gè)獨(dú)立的研究組報(bào)道了一種新的加密手段，可以提供絕對的安全性，以解決量子黑客隱患。
在全球的量子通信競賽中，中國雖然并不是起步最早的，但是在中國科學(xué)院院士潘建偉等眾多人的不懈努力下，中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“彎道超車”，并成為首個(gè)將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星送入太空的國家。
早在數(shù)年前，星地量子通信的中國夢已引發(fā)了世界的關(guān)注。
2012年8月9日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面標(biāo)題形式發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究成果：他們在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。
這一成果不僅刷新世界紀(jì)錄，有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的“里程碑”，而且為發(fā)射全球首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該成果入選《自然》雜志公布的“2012年度全球十大新聞亮點(diǎn)”。
同年12月6日，《自然》雜志為該成果專門撰寫了長篇新聞特稿《數(shù)據(jù)隱形傳輸：量子太空競賽》，詳細(xì)報(bào)道了這場激烈的量子太空競賽。
建立“量子互聯(lián)網(wǎng)”
2009年，潘建偉和他的中國科大物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)從位于北京北部丘陵的長城附近的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，將激光瞄準(zhǔn)了16公里之外的屋頂上的探測器，然后利用激光光子的量子特性將信息“瞬移”過去。
這個(gè)距離刷新了當(dāng)時(shí)量子隱形傳態(tài)的世界紀(jì)錄，他們朝著團(tuán)隊(duì)的終極目標(biāo)――將光子信息隱形傳送到衛(wèi)星上――邁進(jìn)了重要的一步。
如果這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，將會建立起“量子互聯(lián)網(wǎng)”的第一個(gè)鏈接，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將是運(yùn)用亞原子尺度物理規(guī)律創(chuàng)建的一個(gè)超級安全的全球通信網(wǎng)絡(luò)。這也證實(shí)了中國在量子領(lǐng)域的不斷崛起，從十幾年前并不起眼的角色發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅。
2016年，中國領(lǐng)先歐洲和北美，發(fā)射了一顆致力于量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的衛(wèi)星。
這為物理學(xué)家提供了一個(gè)測試量子理論基礎(chǔ)，以及探索如何融合量子理論與廣義相對論（是愛因斯坦關(guān)于空間、時(shí)間和引力所提出的截然不同的理論）的全新平臺。
這也標(biāo)志著潘建偉與維也納大學(xué)物理學(xué)家Anton Zeilinger之間的友誼（雖然存在激烈競爭）達(dá)到高峰。
Zeilinger曾是潘建偉的博士生導(dǎo)師；之后的七年，二人在遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)研究的賽跑中棋逢對手；此后他們又建立了合作關(guān)系。衛(wèi)星發(fā)射成功之后，兩位物理學(xué)家將創(chuàng)建第一個(gè)洲際量子加密網(wǎng)絡(luò)，通過衛(wèi)星連接亞洲和歐洲。
“我們有句老話，一日為師終身為父，”潘建偉說，“科研上，Zeilinger和我平等合作，但在情感上，我一直把他當(dāng)作我尊敬的長輩?！?/p>
迅速崛起
2001年，潘建偉建立了中國第一個(gè)光量子操縱實(shí)驗(yàn)室；2003年，他提出了量子衛(wèi)星計(jì)劃。那時(shí)的他才30歲出頭。2011年，41歲的潘建偉成為當(dāng)時(shí)最年輕的中科院院士。
潘建偉小組的成員陳宇翱說：“他幾乎單槍匹馬地把這個(gè)項(xiàng)目推進(jìn)下去，并使中國在量子領(lǐng)域有了立足之地。”
潘建偉為何有如此動力？這要追溯到上世紀(jì)80年代后期他在中國科大的本科讀書經(jīng)歷。
那時(shí)，他第一次接觸到了原子領(lǐng)域一些“奇怪”的概念。微觀客體可以處于多個(gè)狀態(tài)的迭加態(tài)：例如，一個(gè)粒子可以同時(shí)處在順時(shí)針自旋狀態(tài)和逆時(shí)針自旋狀態(tài)，或者可以同時(shí)存在于兩個(gè)地方。這種多重的個(gè)性在數(shù)學(xué)上用波函數(shù)來描述，波函數(shù)給出了粒子處于每個(gè)狀態(tài)的概率。只有在粒子的某一特性被測量時(shí)，波函數(shù)才會坍塌，相應(yīng)的粒子才會處于一個(gè)確定地點(diǎn)的確定狀態(tài)。至關(guān)重要的是，即使在原則上都無法預(yù)言單次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，粒子處于每個(gè)狀態(tài)的概率僅表現(xiàn)為一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布，并且只有通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)才能得到。
由于量子糾纏的特性，當(dāng)考慮兩個(gè)或更多個(gè)粒子時(shí)，情況變得更加“古怪”了。多粒子系統(tǒng)可以被制備到某種狀態(tài)：即使粒子間距離遙遠(yuǎn)，即使粒子的物理性質(zhì)僅當(dāng)其被測量時(shí)才會存在確定的值，對于每個(gè)粒子某個(gè)物理性質(zhì)的測量結(jié)果之間總是會存在某種關(guān)聯(lián)性。
這種怪異性就好比分別位于維也納和北京的兩位物理學(xué)家同時(shí)擲硬幣，他們會發(fā)現(xiàn)每次結(jié)果都是正面朝上，或者都是反面朝上。
“我對這些奇怪的量子特性感到著迷。”潘建偉說，“它們幾乎使我無法分心去學(xué)習(xí)其它東西。”他想驗(yàn)證這些不可思議的理論，但是在當(dāng)時(shí)的中國，他找不到合適的量子物理實(shí)驗(yàn)室。
20世紀(jì)90年代中期，Zeilinger在奧地利因斯布魯克大學(xué)建立了自己的量子實(shí)驗(yàn)室，并且需要一名學(xué)生來檢驗(yàn)他的一些實(shí)驗(yàn)猜想。潘建偉認(rèn)為這是一個(gè)理想的選擇。于是，與大多數(shù)中國學(xué)生的選擇不同，潘建偉來到奧地利師從Zeilinger，與Zeilinger開始了一段決定二人此后二十年間事業(yè)上并駕齊驅(qū)的關(guān)系。
當(dāng)潘建偉在Zeilinger實(shí)驗(yàn)室施展他的專業(yè)才華時(shí)，世界各地的物理學(xué)家開始慢慢認(rèn)識到，曾令潘建偉著迷的、深奧難懂的量子特性可以被用來創(chuàng)造比如量子計(jì)算機(jī)。
由于一個(gè)量子比特可以同時(shí)存在于0和1的疊加，它可能會建立起更快、更強(qiáng)大、能夠?qū)⒍鄠€(gè)量子比特糾纏起來的量子計(jì)算機(jī)，并能以驚人的速度并行執(zhí)行某些運(yùn)算。
另一個(gè)新興的概念是極度安全的量子加密，可應(yīng)用在比如銀行交易等方面。其中的關(guān)鍵是測量一個(gè)量子系統(tǒng)會不可避免地破壞這個(gè)系統(tǒng)。因此，發(fā)報(bào)方（通常稱為“Alice”）和信息的接收方（通常稱為“Bob”）兩個(gè)人能夠產(chǎn)生并共享一套量子密鑰，其安全性在于來自竊聽者的任何干擾都會留下痕跡。
2001年，潘建偉回到中國的時(shí)候，量子技術(shù)的潛力已經(jīng)得到公認(rèn)，并吸引了中國科學(xué)院和中國國家自然科學(xué)基金委員會的財(cái)政支持。
“幸運(yùn)的是，2000年中國的經(jīng)濟(jì)開始增長，因此當(dāng)時(shí)立即迎來了從事科研工作的好時(shí)機(jī)?！迸私▊フf。他全身心投入到了夢想中的實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)當(dāng)中。與此同時(shí)，在奧地利，Zeilinger轉(zhuǎn)到維也納大學(xué)。在那里，因?yàn)樗倪h(yuǎn)見卓識，Zeilinger繼續(xù)創(chuàng)造著量子紀(jì)錄。他最著名的實(shí)驗(yàn)之一表明，巴基球（含有60個(gè)碳原子的富勒烯分子）可以表現(xiàn)出波粒二象性，這是一個(gè)奇特的量子效應(yīng)，很多人曾認(rèn)為在如此大的分子中不可能存在這種效應(yīng)。
“每個(gè)人都在談?wù)摽梢杂眯〉碾p原子分子來嘗試一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)?！盳eilinger回憶說，“我說，‘不，伙伴們，不要只是思考前面的一兩步，請思考一下我們?nèi)绾文軐?shí)現(xiàn)一個(gè)超出所有人想象的大跳躍。’”
這使潘建偉深受教益。世界各地的物理學(xué)家們開始構(gòu)思，如何利用尚未實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)來連接未來的量子互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)大多數(shù)人仍滿足于在實(shí)驗(yàn)臺上安全地得到量子信息時(shí)，潘建偉已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實(shí)現(xiàn)信息的隱形傳送。
紐約IBM的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Charles Bennett和他的同事在1993年首次提出“量子隱形傳態(tài)”的概念，之所以有此名稱，陳宇翱說：它就像來自于《星際旅行》一樣，它使得關(guān)于一個(gè)量子客體的全部信息在某個(gè)地點(diǎn)被掃描輸入，并在一個(gè)新的地點(diǎn)重構(gòu)出來。這其中的關(guān)鍵就是糾纏：因?yàn)閷μ幱诩m纏態(tài)的其中一個(gè)粒子的操作會影響到另一個(gè)粒子。不管兩個(gè)粒子距離多遠(yuǎn)，它們可以像一條量子電話線兩端的電話機(jī)那樣控，在兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的地點(diǎn)之間傳送量子信息。
當(dāng)同時(shí)產(chǎn)生的糾纏粒子被發(fā)送到電話線連接的兩端時(shí)，問題就出現(xiàn)了。傳遞過程中充滿著噪音、散射相互作用和各種形式的其它干擾，任何一種干擾都會破壞隱形傳態(tài)所必需的精巧的量子關(guān)聯(lián)。例如，目前糾纏光子是通過光纖傳輸，但是光纖會吸收光，這使得光子的傳輸距離僅限于幾百公里。標(biāo)準(zhǔn)的放大器起不到作用，因?yàn)榉糯筮^程會破壞量子信息。陳宇翱說：“要在城域距離之外實(shí)現(xiàn)隱形傳態(tài)，我們需要衛(wèi)星的幫助?！?/p>
但是當(dāng)光子通過地球湍流的大氣層一直向上，到達(dá)幾百公里的衛(wèi)星時(shí)，糾纏會不會繼續(xù)保持？為了回答這個(gè)問題，潘建偉的研究團(tuán)隊(duì)于2005年開展了晴空下傳輸距離不斷擴(kuò)大的地基可行性實(shí)驗(yàn)，探究光子與空氣分子發(fā)生碰撞后能否繼續(xù)維持糾纏性質(zhì)。但他們還需要建立一個(gè)靶標(biāo)探測器，這個(gè)探測器必須小到能夠裝配到衛(wèi)星上，并且靈敏度必須足以從背景光中篩選出被傳送的光子，而且還得保證，他們可以將光子束足夠聚焦，讓其能夠打到探測器。
這個(gè)工作激起了Zeilinger的競爭意識?！爸袊嗽谧隽?，因此我們想，為什么我們不試試呢？一些友好的競爭總是好的?！?/p>
競爭促使光子傳輸距離的世界紀(jì)錄不斷被刷新。在接下來的七年中，中國的研究團(tuán)隊(duì)通過在合肥、北京長城以及在青海開展的一系列實(shí)驗(yàn)，將隱形傳態(tài)的距離越推越遠(yuǎn)，直到它超過97公里。
2012年5月，他們將成果張貼在物理預(yù)印本服務(wù)器ArXiv上。這讓奧地利團(tuán)隊(duì)十分懊惱，因?yàn)樗麄冋谧珜懺诩幽抢簫u之間隱形傳態(tài)光子的實(shí)驗(yàn)論文。
8天后，他們在ArXiv上貼出了論文，報(bào)道他們的隱形傳態(tài)取得了143公里的新紀(jì)錄。兩篇文章最終先后發(fā)表在《自然》雜志上。
“我認(rèn)為這可以表明一個(gè)事實(shí)，即每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有不同以及互補(bǔ)的價(jià)值。”維也納大學(xué)物理學(xué)家、奧地利團(tuán)隊(duì)成員馬曉松說。
在自由空間量子通信領(lǐng)域，中國團(tuán)隊(duì)和奧地利團(tuán)隊(duì)之間不斷競爭，從糾纏光子的分發(fā)到量子隱形傳態(tài)，創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)的里程碑。
兩支團(tuán)隊(duì)都認(rèn)為，向衛(wèi)星進(jìn)行隱形傳態(tài)在科學(xué)原理上已不存在問題。他們亟需的是一顆衛(wèi)星來裝載功能齊備的有效載荷設(shè)備，開展相關(guān)的量子實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。Zeilinger的研究組一直在與歐洲空間局（ESA）商討建立量子衛(wèi)星計(jì)劃，但這些努力因拖延而漸漸告吹。
Zeilinger說：“它的運(yùn)行機(jī)制太慢了，以至于沒有做出任何決策?！币环矫媸菤W空局的猶豫，另一方面中國國家航天局緊抓機(jī)會，得以擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢。在此當(dāng)中，潘建偉起到了決定性的推進(jìn)作用。“量子衛(wèi)星”的發(fā)射使得潘建偉在量子空間競賽中處于領(lǐng)先地位，他的研究團(tuán)隊(duì)將著手開展大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
成功的關(guān)鍵
如果沒有通信對象，開發(fā)全球首個(gè)量子通信網(wǎng)絡(luò)就失去了意義。因此，潘建偉邀請他從前的競爭對手加入這個(gè)項(xiàng)目。他們的第一個(gè)共同目標(biāo)是在北京和維也納之間生成和共享一個(gè)安全的量子密鑰。
“總之，任何一個(gè)小組都無法獨(dú)立完成向衛(wèi)星隱形傳態(tài)這一極其艱巨的任務(wù)。”馬曉松說。盡管政府的主要興趣在于它可以推進(jìn)技術(shù)前沿，但許多物理學(xué)家對這個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目如此著迷卻是因?yàn)槠渌?。“作為一名科學(xué)家，驅(qū)使我不斷前行的動力在于進(jìn)一步探尋物理學(xué)的基礎(chǔ)?！标愑畎勘硎?。
迄今為止，量子理論的奇妙之處在實(shí)驗(yàn)室里被不斷重復(fù)檢驗(yàn)，但這些檢驗(yàn)卻從未在太空尺度中進(jìn)行過。而且有理論認(rèn)為，如果量子理論可能會在某處遭遇挑戰(zhàn)，那必然是太空。大尺度是由另一個(gè)基本物理理論所掌控：廣義相對論。相對論將時(shí)間作為另一種維度與三維空間交織，從而創(chuàng)造一個(gè)四維時(shí)空結(jié)構(gòu)，包括宇宙。在巨大的物體如太陽周圍，這種可塑結(jié)構(gòu)將發(fā)生彎曲，表現(xiàn)為引力，引力將較小質(zhì)量的物體如行星拉向巨大物體。
目前的挑戰(zhàn)是，量子理論和廣義相對論對時(shí)空概念有著完全不同的理解，物理學(xué)家們一直致力于將它們?nèi)谌胍粋€(gè)統(tǒng)一的量子引力理論框架。在愛因斯坦的繪景里，即使在無窮小尺度上，時(shí)空都是完全光滑的。然而，量子不確定性卻意味著不可能在如此小的距離上測量空間性質(zhì)。目前尚不清楚是量子理論還是廣義相對論需要進(jìn)行修正，抑或二者都要進(jìn)行修正。
而衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)可以幫助測試量子理論的規(guī)則在引力牽引不能被忽略的尺度上是否仍然適用。
一個(gè)明顯的問題是，量子糾纏是否可以延伸到地球和衛(wèi)星之間。為了回答這個(gè)問題，研究組計(jì)劃在衛(wèi)星上制備一系列糾纏粒子對，將每對中的兩個(gè)粒子分別發(fā)送到兩個(gè)地面站，然后測量兩個(gè)粒子的性質(zhì)以驗(yàn)證它們是否仍然存在關(guān)聯(lián)――而且設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好。
“如果糾纏不再存在，我們就不得不尋找另一種理論來代替量子理論?！毖芯肯蛐l(wèi)星進(jìn)行隱形傳態(tài)方案的瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)理論物理學(xué)家Nicolas Brunner說。
該衛(wèi)星還可更進(jìn)一步，檢驗(yàn)一些候選的量子引力理論對時(shí)空結(jié)構(gòu)的預(yù)言。比如，所有這些理論都預(yù)測，如果科學(xué)家能以某種方式在10～35米（即普朗克長度）這一尺度觀測，空間、時(shí)間將呈現(xiàn)為顆粒狀。如果事實(shí)確實(shí)如此，那么光子從衛(wèi)星沿著這條顆粒感的道路的穿梭將會輕微減速，而且偏振方向?qū)⒂幸粋€(gè)微小、隨機(jī)的偏轉(zhuǎn)――這些效應(yīng)應(yīng)該足以被地面站記錄下來。
“衛(wèi)星將開啟一個(gè)真正全新的窗口，通往一個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家此前從未涉足過的領(lǐng)域，這非常神奇?！眮碜砸獯罄_馬薩皮恩扎大學(xué)的物理學(xué)家Giovanni Amelino-Camelia說。
