本帖最后由 白山老人 于 2016-8-23 10:57 编辑
世界首颗量子实验卫星或掀起第二次量子革命
核心提示:在潘建伟的设想中,量子通信有望在10年左右的时间走进千家万户,每家每户的网上银行、网络支付、手机支付等,都能享受到量子通信所带来的安全性保障 国际先驱导报8月18日报道 8月16日凌晨,在震颤中,从中国西北荒漠大地,一枚火箭喷射着明亮的火焰,升上如墨的夜空,越飞越远,最后变成一个小亮点,消失在繁星之间。
中国的量子科学实验卫星成功发射引发了全球科技界的关注和热议。这不再只是一个中国的科研大事,因为它所获得的任何成果,必将是世界性的。这是长二丁火箭的第29次发射。此次,长二丁火箭的使命是将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”送入太空。
为何一颗卫星的发射,引发了这么大关注?这要从其实验对象量子科学说起。 “第二次量子革命” 在微观尺度上,一个粒子可以同时处于两个地方。而且粒子之间可以互相纠缠——通过某种方式即时地远程感知、影响对方。起源于1900年普朗克所提理论的量子力学,描述了这些看似魔法的物理现象。 这套理论不断获得实验支持,在一百多年里催生了许多重大发明——原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位系统等重大发明,改变了整个世界,被认为是“第一次量子革命”。 人类还只消化了量子世界奇异特性的很小一部分。量子信息技术是量子力学的最新发展,代表了正兴起的“第二次量子革命”。在量子信息技术中,最具代表性的是量子通信和量子计算。中国科学家正在开发威力强大的量子计算机和最为安全的量子通信。中国的量子卫星就是全球领先的量子通信实验平台,为理解量子物理最令人费解的现象迈出重要一步。 据介绍,量子卫星将在两年的设计寿命中完成四大任务:星地高速量子密钥分发实验;广域量子通信网络实验;卫星向相距1200公里的地面站分发纠缠的光子,在更宏大的尺度上测试被爱因斯坦称为“诡异的”量子纠缠现象;在“世界屋脊”西藏阿里和卫星之间实现量子隐形传态实验。 神奇的量子世界 量子力学描述世界的语言与经典力学有着根本的区别。经典力学描述一个物体的状态,会给出它的明确位置;量子力学描述一个微观粒子的状态,给出的则是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里,也可能在那里,没有确定的位置。当对其观测时,量子叠加态将随机地以一定的概率呈现不同态的性质。 描述量子叠加的最著名的思想实验是量子理论创始人之一、奥地利物理学家薛定谔提出的有关一只猫的实验,因而被称为“薛定谔的猫”。在这个假想的实验中,一只猫被关在盒子里,盒子中还有一个原子核,它有50%的可能会发生衰变,而衰变将会放出一个粒子,粒子再触发毒气释放装置。在不打开盒子观察的情况下,原子核处于衰变和未衰变的叠加态中,在这种状态下,猫既是死的又是活的。 中国量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟则喜欢用“分身术”来比喻量子叠加态,“这就好比孙悟空的分身术,一个孙悟空同时出现在多个地方,孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。” 潘建伟说:“在日常生活当中,我要么在上海作报告,要么在北京作报告,我不可能同时在两个地方讲。但在量子世界,作为一个微观的客体,它不仅在这里,也可以在那里,同时在好多个地方。” 而量子物理世界另一个奇异现象是纠缠效应,量子纠缠可以把两个或更多粒子的命运关联在一起。在这一奇特关联中的粒子“心心相印”,即使隔着一个太阳系,当测量其中一个的状态时,另一个状态也会即刻发生相应改变。 形象点比喻,这就如同两张相距甚远的纸张,人们在其中一张纸上书写的时候,另一张纸上会立刻显现出所书写的信息。 爱因斯坦对这种“幽灵般的超距作用”嗤之以鼻,更愿意相信这背后有某种隐藏的物理作用。 然而,1972年,美国物理学家克劳泽等通过实验证实,微观粒子“遥远地点之间的诡异互动”现象真实存在。但是为什么会有这种现象呢?这依然是一个难解之谜。 量子世界的“矛”与“盾” 尽管神秘、令人捉摸不透的量子力学还迷雾重重,科学家们却已在利用量子世界的奇异特性开发威力强大的量子计算机和最为安全的量子通信。 专家介绍,量子计算利用量子态的叠加性质,可以实现计算能力的飞跃。现在计算机的运算单位比特只有0和1这两种状态,但量子计算机中可以处在0和1的叠加态上。如果操纵100个量子,其计算能力可能比“天河二号”快百亿亿倍。“天河二号”需要用100年计算的难题,量子计算机只需0.01秒。 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。 然而,一些人对于量子计算机的恐惧多于期待。有专家指出,对于现有信息安全系统而言,一旦量子计算机横空出世,它将成为一支“利剑长矛”,可以攻破现在所有的密码。 专家说,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,人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。 所幸的是,量子物理同时提供了解决这一问题的办法。如果量子计算机是“利剑长矛”,那量子密码技术就是抵御它的“坚固盾牌”。量子密码提供了一种不可窃听、不可破译的新一代密码技术。 利用量子纠缠效应进行信息传递的新型通信方式就叫量子通信。潘建伟说,量子通信的关键要素是“量子密钥”,量子密钥就是在A和B之间共同生成一串只有他们两边知道的随机数,然后用这个随机数来加密。量子密钥一旦被截获或者被测量,其自身状态就会立刻发生改变。截获量子密钥的人只能得到无效信息,而信息的合法接收者则可以从量子态的改变中得知量子密钥曾被截取过。 潘建伟打了个比方,古人在信封上用火漆封口,一旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹。量子密钥在量子通信中的作用比火漆更彻底,因为一旦有人试图打开“信件”,量子密钥会让“信件”自毁,并让使用者知晓。 量子通信有望10年左右走进生活 正如奥运赛场上的金牌总是备受关注,中国量子卫星的“第一”属性也是国际科学家们强调的重点。美国波士顿大学的量子物理学家亚历山大·谢尔吉延科说:“这个事确实很让人激动,因为它是首次开展此类试验,因此对全球都有重要意义。” 他说,量子通信的竞赛自1995年欧洲科研人员在日内瓦湖底进行量子密钥分发的最初演示时就开始了。在那以后,英国、美国、日本和中国等国家都在探索城市间的量子通信网络,而现在这场竞赛从地面进入了太空,因为卫星能连接相距遥远的不同都市。中国在发射量子卫星方面走在了前面。 感到激动的还有英国剑桥大学量子物理学教授阿德里安·肯特,他说:“我对中国发射量子卫星这事感到很兴奋。”他认为,这是为使用量子技术构建全球性安全通信网络迈出的“第一步”。 德国整合量子科学和技术中心负责人托马索·卡拉尔科说:“中国发射全球首颗量子卫星意义重大,在实现全球安全量子通信的道路上迈出了决定性的一步。” 那量子通信会怎样影响我们的生活呢?量子通信在国防、军事、金融等领域应用前景广阔。有专家预测,量子通信技术可能在20至30年后对人类社会发展产生难以估量的影响。量子通信因其传输高效和绝对安全等特点,被认为是下一代通信和计算机技术的支撑性研究,也已成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。 对中国正在高速发展的量子通信领域来说,2016年将是具有里程碑意义的一年。如果卫星成功运行,中国将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,并结合地面已有的光纤量子通信网络,初步构建一个广域量子通信体系。 潘建伟说,量子保密通信“京沪干线”将在2016年下半年全线开通,将应用于金融、电子、政务等多方面领域的信息传输。据介绍,“京沪干线”项目是连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络,中间还有合肥、济南等重要节点,全长2000余公里,属世界首例。 潘建伟说,如果说“京沪干线”像连接地面每个城市、每个信息传输点的“网”,量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信之“网”织就,海量信息将在其中来去如影,并且“无条件”安全。 在潘建伟的设想中,量子通信有望在10年左右的时间走进千家万户,每家每户的网上银行、网络支付、手机支付等,都能享受到量子通信所带来的安全性保障。
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