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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。”(赵涵漠)

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