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量子传输

“量子传输是一种全新通信方式,它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息,是未来量子通信网络的核心要素。利用量子纠缠技术,需要传输的量子态如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”,在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间神秘出现。

量子信息学就是以量子力学为基础,重新审视主流的计算和通讯理论及其实现技术的尝试,之所以用尝试这个词,是我认为这个学科的建立也还是在向经典信息理论妥协的结果。

今天量子信息学在其智力的触角能伸到的地方已经取得了一些成果,其中容易理解的是量子比特的概念和隐形传输的通信技术,也就是前文的实验。

在经典信息论中,信息量的基本单位是比特,一个比特代表经典二值系统(0,1)的一个取值的信息量。量子信息学中,基本单位是量子比特或称为量子位,量子比特是一个双态量子系统,这里的双态指的是两个线性独立态。在量子信息中,用作量子位实现的双态系统就是光子。解释一下,爱因斯坦是第一个认识到电磁辐射是以量子形式进行的,而且是以量子形式传播的。

我们掌握了量子比特的概念,其实就获得了一个更广阔的物质财富效应,可以实现在比特领域无法想象的操作。

量子隐形传态技术就是正在新兴的通讯领域,利用量子纠缠现象,可以实现不发送任何量子位而把量子位的未知态(即这个态包含的信息)发送出去。这样的净结果,就是张三所拥有的“笑态=笑容+滑稽动作+搞笑服装”,从张三处消失,并经过一个延迟(经典通讯和李四的操作时间),出现在李四那里。张三位置不动,李四位置也没有动,动的只是张三拥有的“笑态”,在李四处复活了。这在中国古代学术领域称为“遁术”。

与小说中称为“远距取物”不同的是,这只能称为“远距送物”,时间上送在先,复活在后。特别需要指出的是,上面的解说还受到线性的局限,理论上可以借助量子的隐形传态技术,传输任意复杂的量子态,包括这些态的组合。

目前在局域网中,中外科学家10多年前已经实现了包括量子隐形传态在内的,比如量子密钥分配等超乎经典信息论可以理解的人间奇迹。

量子信息学的进展不尽如人意,发展缓慢,主要原因是世界科学界自二战以后,具有远见的学术巨擘凤毛麟角;其次,各国和社会均对此重视不够,科学沦为经济的头饰;再者现在从事这个领域工作的普罗学者天天游走在经典与量子两个状态的边缘,为了生计只能将就经典信息论,这样才能有经费支持,有社会名声。如果搞前瞻性的量子信息这样的探索行为,在学科内部彼此学术交流都困难,更不用说和现实社会的交流了。

实际上,早在19世纪和20世纪之交时,物理学就完成了从牛顿力学向量子力学的转型。遗憾的是,这个转型目前只涉及地球上极少数的个体,而对极多数的人群而言,世界如故,各国的高考试题全部都在为经典数学和力学唱赞美诗。

不仅在科学领域,艺术方面也是一样。各国专业的美术教育机构都将素描视作美术的基础,世界知名的画家塞尚曾经质疑过这一传统行为,说我看到的世界是彩色的,为什么说素描是色彩的基础?

如果继承塞尚的探索精神,对物质世界,我们也应该提出以下的质疑:世界的本质是量子的,当今主流的经典规律只是量子规律在宏观条件下的近似,那么我们为什么还为沉睡在比特中而沾沾自喜?

答案只能归结于全球今天的教育制度,我一直以为,在幼儿园就应该开讲非欧几何、量子理论这些关乎世界本质的发现,而不是进行直线、平面和惯性力学这些人造幻觉的灌输。

上面这段文字编辑可能有误导只嫌疑,补充一段:6月6日,中国移动手机报中一条关于量子传输技术的新闻激起了阅读者的兴趣,因为记者模糊地描述了给人一种类似于崂山道士般隔空取物、移形换影的技术诞生感觉。 实际肯定不是这么回事。这还要从波粒二象性说起,光表现得像波,又像是粒子,这完全取决于如何观测它。如果你让一个光子打在显示屏上,那么它会留下一个小点,看起来像是粒子;而如果让它通过两道窄缝,那么它就会显示出干涉花纹,看起来像是波。

看起来有些违反直觉,但是这却是我们目前能够找到的最好的解释。我们将传统的宏观世界物理学称为经典物理,而量子理论则在物质底层、那些构成了我们这个世界的最基本元素那里颠覆了这套经典。这样的特性将会让我们的生活出现翻天覆地的变化。例如,将会制造出能百分之百将光能转化为电能的电池,能制造出更加安全以至于完全无法窃听的通讯手段,后者就是中国科技大学潘建伟教授所做的工作。6月,潘建伟教授的团队将量子态隐形传输的距离延长到16公里,这是目前世界上最好的成绩。

我们生活中大部分事物都是相当确定的,但是在物质底层却并非如此。世界上万物都是由更小的部分组成,一直到我们现在能够直接观测到的原子;而原子又是由质子、中子和电子构成,电子在不同能级跃迁时则会将能量转化为光子。像光子这样的波粒二象性并不是特例,其他粒子也都普遍具有这种特征。我们同样不知道电子是波还是微粒,唯一知道的只是用什么样的方式来观测就会得到什么样的性质,仅此而已。就像是我们带着一副特定颜色的眼镜来看这个世界一样—戴什么颜色的眼镜,就决定了世界的颜色。

看起来有些唯心主义的味道,但是却是事实。量子理论中有一些听起来不可思议的现象,但是却都经历了数学证明以确认它的真实性。量子纠缠就是其中的一种。当两个来自同一系统的粒子被分开时,如果改变其中一个粒子的状态,那么另一个粒子也会同时转变为相同的状态,而无论它们之间的距离有多远。好像这两颗粒子之间存在超越了时间和空间的心灵感应一般。

这种特性曾经让爱因斯坦大为困惑,将之称为“鬼魅般的超距作用”。似乎光速不变在量子纠缠面前失效,两颗纠缠态的粒子之间的通讯速度居然可以达到无穷大。相关的争论层出不穷,直到1980年代后才通过实验得以解决:人们真正观测到了量子纠缠现象。物理学家们提出了许多理论来解释这种看起来完全不可思议的现象,但是并没有任何一个成为所有人公认的主流理论。虽然我们可以利用量子纠缠现象来通讯,但是我们并不知道为什么会有这种现象存在。

虽然“超距作用”这样的词汇很有吸引力,但是量子纠缠并没有办法让我们实现科幻小说里的超光速通讯甚至瞬间移动。量子本身不能携带除了本身物理状态之外的其他信息,虽然远在天边的两人可以各拿着一个粒子,但是他们却无法仅仅通过观测而知道对方是否改变了粒子的状态。如果要进行通讯,那么依然需要依靠传统通讯方法,光速依然不可逾越。

量子传输不能让我们瞬间跨越星际,但是它可以完美解决通讯中的安全问题,也可以帮助制造出更快的新型电脑,快到让现在的电脑看起来运行速度像是老牛拉车。量子纠缠可以将通讯过程中每一瞬间的信号都随机加密,与之对应的纠缠态量子将会帮助人们实时解密,而窃听方则毫无解密的机会。利用量子纠缠的计算机将可以同时进行大量计算,现在看来需要动用全球计算能力计算数万年才能破解的经典加密方式,在量子计算面前只像是一张一捅即破的薄纸。

然而在环境的作用下,量子不能长时间保持纠缠态,它们会逐渐表现得更像是经典理论的结果。如何能够让粒子实现更好的纠缠态—被称为“纯化”—以及将纠缠态的时间保持得更久,就成了量子通讯中的重要课题。在过去十年中,人们已经成功实现了量子态隐形传送和纠缠态交换、多光子纠缠态和纠缠态纯化,并且将量子保密通讯的距离延伸到了200公里以上。

潘建伟的团队在这一领域走在世界前列。他们在2007年实现了对单个原子的冷冻,以保持粒子纠缠的特性。他们已经能够让这种纠缠特性保持超过1毫秒,这意味着理论上可以实现300公里距离的通讯。2008年他们制造出了“量子中继器”,可以将量子纠缠读出并且转化为光子纠缠,为通讯和量子计算奠定了基础;在2009年更是将量子通讯延伸到了实用层面,开发出的量子电话样机保证了实时和牢不可破的加密通讯。

最近的这项新成果,更是将中国在量子通讯的研究推进到了最前沿。潘建伟认为,也许在未来十年中,量子通讯就会成为广泛使用的通讯技术,而我们将会很快享受量子技术带来的更多便利和安全。

最近网络盛传的“亚丁湾星际之门”事件中,就有爆出挪威12分钟的诡异光圈与美国进行量子传输与通讯有关.....”“

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