中国量子通讯!远比你所知道的强大!

人类能超越时空?再等等吧!

中国青年报 赵涵漠

中国量子通讯!远比你所知道的强大!

中科大-清华联合小组的研究人员在发送端调校光学设备

听起来,这并不像是一个复杂的实验:位于北京八达岭长城脚下的送信者,要向站在河北省张家口市怀来县的收信者发出一段信息。

这段距离仅有16公里,在晴朗的白天,他们彼此甚至目力可及。只是,这并不是一封信、手机短信或电子邮件,而是好像“时钟指针”一样表示着量子运动状态的量子态。

这已经是量子态目前在世界上跑出的最长距离。6月1日,世界顶级科学刊物《自然》杂志的子刊《自然·光子学》以封面论文的形式,刊登了这项成果:一个量子态在八达岭消失后,在并没有经过任何载体的情况下,瞬间出现在了16公里以外。实验的名称叫做自由空间量子隐形传态,由中国科学技术大学与清华大学组成的联合小组完成。

美国国际科技信息网站盛赞,这一成果代表着量子通信应用的巨大飞跃。

想要给大家都讲明白实在是一件痛苦的事

这确实是一个难以令人理解的研究领域,面对抱着巨大好奇心的公众,研究者不禁感到苦恼,“想要给大家都讲明白实在是一件痛苦的事”。

早在3年前,中科大前校长朱清时院士在形容负责组建联合小组的中科大教授潘建伟时也声称,潘在量子通信领域的工作“对于一般人来说是难以理解的”,“不然会感到更强的震撼力”。

一切还要从量子说起。量子是不可分的最小能量单位,“光量子”就是光的最小单位。

在奇特的量子世界里,量子存在一种奇妙的“纠缠”运动状态。中科大量子信息实验室教授彭承志愿意将一对纠缠状态下的光子比作有着“心电感应”的两个粒子。再用个更贴切的比喻,纠缠光子就好像一对“心有灵犀”的骰子,甲乙两人身处两地,分别各拿其中一个骰子,甲随意掷一下骰子是5点,与此同时,乙手中的骰子会自动翻转到5点。

事实上,乙甚至根本不需要知道也不能查看自己手中究竟握着几点。因为在物理学上,每一次对纠缠光子的测量都会破坏原有的状态,“就像冰淇淋,你必须尝一口才知道它的味道。但当你尝了一口时,冰淇淋就已经发生改变。”一个专业人士这样解释。

因此,甲只需要通过电话、短信等渠道告诉乙,自己刚刚掷出了5点。乙即便不用摊开手掌,也可以知道自己手边这个“心电感应”的骰子也成了5点。

这听起来就像一场魔术表演。只是,甲和乙之间传送的只是类似“转成5点”之类的信息,而不是实物。

这是目前量子态在自由空间中隐形传输的最远距离

这段16公里的旅程创造了新的世界纪录,这是目前这个星球中量子态在自由空间中所能隐形传输的最远距离。

事实上,在量子态隐形传输经历的漫长旅程中,每一点距离的进步都可以被视为一座里程碑。1997年年底,位于奥地利的蔡林格研究小组首次在实验平台上几米的距离内成功地进行了这一实验。

虽然当时的传输距离仅达数米,但美国《科学》杂志却将其列为该年度全球十大科技进展。《科学》杂志的评语是:“尽管想要看到《星际旅行》中‘发送我吧’这样的场景,我们还得等上一些年,但量子态隐形传输这项发现,预示着我们将进入由具有不可思议的能力的量子计算机发展而带来的新时代。”

科幻电影《星际旅行》至今仍在科幻娱乐史上排名榜首。它讲述了人类的梦想:宇航员在特殊装置中平静地说一句,“发送我吧,苏格兰人”,他就会瞬间转移到外星球。在经典游戏暗黑破坏神”中,女巫角色的技能是“瞬间转移”。只要施展这个魔法,女巫就会伴着一道闪光消失,并出现在任意一个想去的地方。

“这种现象,与量子态隐形传输很类似。”一位联合小组成员谨慎地选择着用词。当然,它们并不相同。在这项实验中,被传输的是信息而并非实物。

1999年,蔡林格研究小组的论文又与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等重大研究成果一起,被英国《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。而就在那时,这篇论文作者栏中一个26岁的年轻人,就是当时在奥地利维也纳大学从事研究工作的潘建伟。

不过接下来,发展并不算顺利。直到2004年,蔡林格小组才利用多瑙河底的光纤信道,将量子隐形传态距离提高到600米。

这次中国的实验在技术上有了重大创新,光子在传播过程中会因偏振而引起变化,联合小组的科学家们对此进行了“正反馈”,即用简单的光学器械控制住光子的偏振态,使这次实验的保真度最终达到了89%。也就是说,“尽管不能正确无误地发送每一个码,但信息是可以传送的”。

“如果地点允许,我们本来希望能达到20公里。”联合小组成员、清华大学物理系副研究员蒋硕觉得很遗憾。他在一间窗台上生长着翠绿爬藤的办公室里接受了记者的采访。

随着高度增加,空气也会变得更加稀薄。所以,地表10公里的空气密度,基本相当于从地球到外层空间几十公里距离的空气密度。“20公里的传送距离,就表明光子可以在地表与外层空间卫星间打一个来回。”这也就意味着量子信息可以通过卫星在不同地区,甚至国家间传递。

可在野外实验,状况却无法保证同实验室里一样理想而精确。最终,因为位置便利,研究者们将“秘密基地”分别设在八达岭长城脚下与河北怀来的两家小旅馆,地理距离16公里。

为了用激光为量子态传输打出一个光链路,他们的实验大多在其他人沉入梦乡的夜晚进行。光链路是为了帮助随后分发的光量子“探路”。那些已经睡着了的人并不知道,这群在半夜里还摆弄着有点吓人的绿色激光的年轻人,也正在实现这个世界全新的通信梦想。

“尽管我们只传送了16公里,但这在科学上证明了量子信息的远距离传输是可行的,也意味着量子信息通过卫星进行传递有可能实现。”蒋硕说。

为了防御一个还未出现的威胁

这些站在科学领域最前沿的中国物理学家明白,进行量子通信研究,除了能够实现隐形传态这种奇妙的物理现象以外,还能够实现更重要的使命,那就是防御一种“还未出现的威胁”。

威胁来自尚未被成功发明的量子计算机。早在上个世纪,科学家们就已经开始设想,用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,从而大幅度减少运算时间。如果将未来的量子计算机比作大学教授,今天所谓超级计算机的能力甚至还比不上刚上幼儿园的小班儿童。

你可以想象这样一个惊人的对比:现在对一个500位的阿拉伯数字进行因子分解,目前最快的超级计算机将耗时上百亿年,而量子计算机却只需大约几分钟。

“一旦哪个疯子发明出来量子计算机,他就可以攻破所有的密码。”蒋硕指出了这个可怕的威胁。事实上,现在通用的加密方式并非如想象般安全,它们都有破译的方法,只不过由于现有计算机运行能力的限制,破译一个密钥可能要耗费上万年,甚至上百万年。

如果量子计算机出现,我们目前自以为安全的一切将不堪一击。那将是一个超级神偷,可以偷走现代文明中人们赖以生存的一切——银行存款、网络信息。它也足够冲破军事或安全系统,调转导弹的轨道,令整个国家陷入混乱与灾难。因此,没有人敢懈怠,“这并不是一项杞人忧天的研究。所有的防御必须出现在进攻之前。”美国科学家的预言就像一个倒计时牌,“量子计算机可能将在50年之后出现。”

因此,“只有采用量子信息才是安全的,必须占据先机。”这样一切“窃听手段”将失去原有的意义。如果一个间谍想要收集情报,他必须窃取发送途径中的光子,经过测量后再次传给接收者。但因为光子对的纠缠特性,这样的窃取就会被发现,“就像被尝过的冰淇淋一样”。

当然,眼下这只是一场看不见对手的战争。“如果没有量子计算机这支矛,量子信息这面盾就发挥不出作用。”蒋硕说。他同时也认为,即便技术成熟,“如果量子计算机没有出现,并没必要进行大规模的产业换代”。

然而,这篇论文发表后,蜂拥而至的报道和议论却让科学家们发现,公众似乎误解了自由空间量子隐形传态的真正意义,“很多人都认为,这个实验的成功代表着超时空穿越可能实现。”

显然,能够传递一组信息并不意味着已经可以传递实物。“我们对世界的了解仍然不够透彻。”一位研究者说。科学家们现在还不知道应该如何通过隐形传输的方式传送实物,“我们曾经以为世界上最小的是原子,可是后来发现原来里面还有质子和中子。然而,没有人知道质子和中子是否还能被继续拆分。更何况想要传送一个生命体,又该如何处理他复杂的脑电活动呢?”

“目前我们实现的仅仅是单光子量子态的隐形传输,在未来有可能实现复杂量子系统的量子态隐形传输,但距离宏观物体的量子态隐形传输还具有非常遥远的距离。”彭承志说。

也许,正是“非常遥远的距离”带给了人们遐想。毕竟,曾经实验台上量子态只能前行几米,而今,它已经可以穿越16公里。将来,它还可能在星球之间传递。

“科技发展的速度有多快谁能知道呢?”一位参加这项研究的科学家说,“就好像打算盘时的人们永远想不到,在不久的将来,人类发明出了每秒运行几千亿次的电子计算机。”

猜你感兴趣

更多 >>

评论

评 论

热门评论

 以下是引用fjs001 在第70楼的发言:
“空间量子隐形传输”实验简单说来就是: 借助现有的点对点虚拟光纤通信方法,探讨利用所谓“量子纠缠”假说来转移信息的可行性。这项实验无论其所依据的基础理论,还是其实验手段,都毫无新意可言。将之宣传为“重大科技成果”,无疑已令中国科技蒙羞!

光纤通信或自由空间虚拟光纤通信的典型特征在于:光信号因色散衰减而导致的保真度等问题,主要受制于传输距离,目前延长传输距离的有效方法是增加通信中继装置。这就是“空间量子隐形传输” 推崇者一再强调“距离又增大了多少多少”的原因。不知该项实验16公里传输距离之间,增......


你对于量子通讯根本就是七窍通了六窍。

如果你对于量子通讯有哪怕是一丁点的了解,就应该知道,量子通讯根本就不需要,也不可能设置中继站。它与光纤通讯之间的差别,就相当于古代驿站与现代卫星通信之间的差别。

对于地面以及近地通信来说,这项技术解决的是绝对加密问题;

而对于航天领域的通信来说,这项技术解决的是超远程通信的延时问题。


而你对量子通讯的解释根本就愚蠢的可笑。先前那个把用管道中塞球来解释量子通信的已经够可笑的了,而你比他更加无知。建议你先连接一下什么是量子纠缠态,了解一下作为哥本哈根学派核心人物的玻尔、狄拉克、冯·诺依曼以及作为反对哥本哈根学派核心人物的爱因斯坦、薛定谔等究竟是为了什么争论了20年。

你的解释,就好像说“现代卫星通信其实是因为使用了驿站所以才能够完成通信”的一样可笑。

知道什么是“无介质”么?无介质就是,没有光纤、没有电缆、没有电磁波、没有光束……在两个完全电磁屏蔽、完全隔绝的仓内,依然能够实现通信——这才是量子通信最关键的地方。


任何一项技术,从理论走向实践都需要解决无数的应用问题。量子通讯技术同样也是如此。从最早的只能在1mm左右的距离上进行量子传态(如果你量子力学研究对象的尺度,你就会明白,即使是1mm也已经是一个巨大的距离,已经是属于宏观领域上的尺度了——但是显然你不具备这样的基础知识与理解能力),到现在的16公里传态已经是飞跃性的进步了。不管你如何信口雌黄都不能掩盖一条最基本的事实:这一成果是发布在《Nature》上的,如果你连这本杂志在世界科学界中的地位以及其审核的严格程度都不知道,那你根本连评价的资格都没有。

 以下是引用慕秋雨 在第67楼的发言:
lostlover朋友,显然在量子通讯上有不错而正确的知识,那么我想请教的问题是,我们如何才能确认在出发端手里抓住一群‘半纠结量子’;而在目标端手里正好抓着这同属性的那另一半‘半纠结量子’呢?


这个问题可以简单归纳为:我们怎么知道手里抓的是‘这群家伙’而不是旁边‘无关人员’呢?


也就是64楼wanglaow兄问的问题:它们如何调制?虽然wanglaow兄认为这种方法不可能被调制出来,但退一步讲,利用这种量子的纠缠性来编码,理论上未必不行,在实际操作上怎么玩呢?期待你的讨论。



你的问题本身就问错了。

量子通讯设备不是正好捕获了处于量子纠缠态的一对粒子,而是先人为的制造出处于量子纠缠态的粒子,然后将其分离开,分别约束在电磁场中,再以其这2个电磁约束设备为核心制造编解码装置。所以你问的问题根本就不存在。

通过这种方法制造出的通讯装置,你可以将其理解为只能在特定波段上进行通信的固定波段单波段电台。除了与之对应的那台(或者那几台)通讯设备外(也就是拥有和它内部的纠缠态粒子匹配的另外一部分粒子的通讯设备),它不能与任何其他的同类通讯设备进行通讯。换句话说,你那个“我们怎么知道手里抓的是‘这群家伙’而不是旁边‘无关人员’呢? ”的问题,其实答案非常简单:如果电磁约束场中的是无关人员,那么这台通讯设备就是固定在另外一个波段上的单波段电台,根本不可能建立起通讯连接。

至于量子纠缠态粒子的具体制备方法,你可以找一下量子信息学方面的论文。最近几年,这方面的论文简直是井喷一样的冒出来。估计应该是到了一个爆发性发展的时候。在这方面,我们国家还是算领先的。10粒子纠缠态就是我们国家最先完成的。从理论上来说,如果是10粒子纠缠态,其实应该可以制造出10台可以互相通讯的“单波段电台”的,毕竟,数字通信只需要有2种可识别的状态就可以实现,即使加上空位也最多只需要3种状态,而任何一个单一粒子都可以表现出62种可以明显区分的状态(有关粒子的62种状态,可以自己搜索一下三旋理论)。


71楼fjs001

“空间量子隐形传输”实验简单说来就是: 借助现有的点对点虚拟光纤通信方法,探讨利用所谓“量子纠缠”假说来转移信息的可行性。这项实验无论其所依据的基础理论,还是其实验手段,都毫无新意可言。将之宣传为“重大科技成果”,无疑已令中国科技蒙羞!

光纤通信或自由空间虚拟光纤通信的典型特征在于:光信号因色散衰减而导致的保真度等问题,主要受制于传输距离,目前延长传输距离的有效方法是增加通信中继装置。这就是“空间量子隐形传输” 推崇者一再强调“距离又增大了多少多少”的原因。不知该项实验16公里传输距离之间,增加了多少个通信中继站?

既然“量子纠缠与距离无关”,距离增大了多少又有什么意义?光通信距离的大小,只是与光源强度、光通量、中继方法、传输环境条件等有关,而与“空间量子隐形传输”所依据的“量子纠缠”理论无关。将“距离又增大了多少多少”作为“空间量子隐形传输”取得成功的证据,有偷换概念和混淆视听之嫌。

大气层的厚度不只16公里,仅近赤道的平流层高度就在约50公里以上。此外,地球大气层理论上是没有明确厚度的,只是万有引力的作用使得空气离地球越远则密度越小而已,这些都是常识。“空间量子隐形传输” 推崇者所描述的“自由空间量子信道”,其通信距离大小和能否将信号传向外太空,与自由空间虚拟光纤通信方法无异,从事光通信的从业者们都很清楚,一点都不神秘。而且点对点的自由空间信道如果是与地球以外的天体或空间某运动物体对接,如何架设光通信中继站都是问题。

存在决定意识,只要还是在讨论真实世界的本质,讨论宇宙间的具体事物,无论是研究宏观事物还是微观事物, 就不能否定存在决定意识。对客观存在以外的描述,在未经证实之前只能认为是假说。将“量子纠缠”之类的假说当成微观事物的本质而加以肯定,盲目宣传误导公众,明显违背科学探索原则。

我们赞赏、学习前人对宇宙本质的努力探索精神,但我们不应当盲从那些令人眼花缭乱的、仅仅以数理逻辑推理为依据的种种“前沿物理”观点。例如光子(或称光量子),至今仍只是无法用实验证实的假设,光的波动现象或者导致光电效应、康普顿效应的粒子态现象,只是光的行为表现而非光本质。就像一个人,他可能做好事也可能犯罪,是这个人在特定环境、某种条件下的具体行为表现,与他作为“人”的实体存在是两个概念。光的表现形式是否就是光子(或称光量子)及其运动状态,光的基本形态是否真的只是“一份份能量”,历经上百年的讨论,学界至今仍在探索中,“量子纠缠”假说的真实性当然存疑。

要在科技领域自强于世界,前提是不能急功近利。科技工作者不必以在某知名杂志发表了相关论文,某知名杂志作了评论,或者获得过某某奖之类的宣传来抬高“成果”,这种思路已不合时宜,公众对科技事物的判断能力已今非昔比。要知道,即使是诺贝尔奖,也是科学家们成就了他,而不是诺贝尔奖成就了科学家。知名杂志不是科学的裁判,也会发表无意义甚至错误的论文。

应当以真实可信的成果,而不是虚无飘渺的描述或炒作来对待科研工作,更不能画一个远离真实世界的大饼来浪费科研经费。


量子力学首先遇到的是哲学问题。


因为我们的理解从来都是通过已经拥有的来解释新出现的。

就如我们必须用一个个旧词来解释一个新的事物或现象。

而每个旧词都意味着旧的认识,甚至旧的哲学思维路径和方式。因此出现一个革命性新事物时,旧词的解释就必然出现了不足。


比如,量子纠缠,——这个词旧在那里?在哲学范畴内,西方历史上有着强大的将世界原子式分割的理解的传统。从古希腊的元素论,到以后的主体客体区分,主观客观的划分,对象与主体的对立,都将一个个具体的实在与其他实在区隔。在所谓的微观领域也是这样,我们将微观世界里的划分出量子单位,认为在微观领域里也是由一个个独立量子{光子、电子等}集合。

一对纠缠态的量子对,我们用传统去理解是两个独立量子发生关联后的集合,因此我们就很难理解为什么对量子对其中一个的观察(这里[观察]行为本身就联系进量子对中了),会对另一个量子有直接影响,就如我们困惑两个双胞胎之间的所谓心灵感应。


——所以事情必须回到这个问题发生的原初,既一个量子真的就是独立的存在?

当我们拿针扎自己的大腿,大脑感到了痛,没有人对此奇怪,因为大脑和大腿形成了我成为人的系统。

当我们施加一个力给汽车,车是整体同时移动的,我们也不奇怪为什么不车头先开出去。因为车头在车的系统内。


————所以事物真正的[真实]是,诸多要素在具备某种联系的系统内,它是一体的。这个一体不是各个要素导致的,[一体]才是认识的基础和开端,是真正的[客观真实]。而区隔和独立的要素,只是我门的意识为了更好的认识而对[一体]进行的[区隔],因此我们假设[纠缠]是两个量子形成系统的联系因素,那么两个量子在系统内,就不是两个量子,而是某个[纠缠]关系的系统被意识区分认识为具备两个量子要素。那么客观而言,对某一量子的观察不是对特定量子‘它’的独立的观察,而是对这个[纠缠]关系的系统整体的观察。于是这就如给一两车施加力,我门看到车的各部分同时运动一样。

我们自认的对某一量子的观察,实质是对量子对系统整体的加力行为。所以出现量子对的另一个量子[同时][自行]运动的局面。


我们已经看到现象,但是我们对此的意识内的困惑,往往是意识自身落入窠臼的原因导致。




引用:在其他板块喜欢抬杠的兄弟来这里跟我用科学知识一决雌雄吧(#你可以想象这样一个惊人的对比:现在对一个500位的阿拉伯数字进行因子分解,目前最快的超级计算机将耗时上百亿年,而量子计算机却只需大约几分钟。 事实上,现在通用的加密方式并非如想象般安全,它们都有破译的方法,只不过由于现有计算机运行能力的限制,破译一个密钥可能要耗费上万年,甚至上百万年。





如果量子计算机出现,我们目前自以为安全的一切将不堪一击。那将是一个超级神偷,可以偷走现代文明中人们赖以生存的一切——银行存款、网络信息。它也足够冲破军事或安全系统,调转导弹的轨道,令整个国家陷入混乱与灾难。因此,没有人敢懈怠,“这并不是一项杞人忧天的研究。所有的防御必须出现在进攻之前。”美国科学家的预言就像一个倒计时牌,“量子计算机可能将在50年之后出现。”





因此,“只有采用量子信息才是安全的,必须占据先机。”这样一切“窃听手段”将失去原有的意义。如果一个间谍想要收集情报,他必须窃取发送途径中的光子,经过测量后再次传给接收者。但因为光子对的纠缠特性,这样的窃取就会被发现,“就像被尝过的冰淇淋一样”。





当然,眼下这只是一场看不见对手的战争。“如果没有量子计算机这支矛,量子信息这面盾就发挥不出作用。”蒋硕说。他同时也认为,即便技术成熟,“如果量子计算机没有出现,并没必要进行大规模的产业换代”。 可怕我靠( ‵o′)凸( ‵o′)凸



‵′)凸^_^{{{(>_<)}}}%>_<%~~o(>_<)o ~~一决就一决,谁怕谁

更多精彩内容

热门图集