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作者： 林梅 来源： 发布时间：2016-8-19 15:30:3
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科幻电影里，经常出现一种类似“传送门”的机器——人或物体走进去，瞬时就被传送到另一处地点，甚至是另一个星球。
有人说这种想象因违背相对论而只可能是幻想。但也有人说量子通信为这种“乾坤大挪移”带来曙光。
量子科学和技术究竟能为人类世界带来什么改变？真的存在无人能破译的密码吗？量子计算机最终能让机器产生“意识”吗？
量子密码真能带来绝对安全吗？
谍战迷们应该非常熟悉，密码的战争波诡云谲，瞬息万变。加密和解密像“矛”与“盾”一样，在此消彼长间考量着情报人员的智慧机变。
现实世界里更是如此。大家意识到，量子计算机的研发成功可能只是时间问题。那么，曾经风光一时的基于两个大质数乘积的RSA公钥密码体制很有可能在量子计算机面前一触即破，开发密钥分配的新技术已经刻不容缓。
出路还是“量子不可克隆原理”。简单地说，对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制过程是不可实现的，这从原理上保证了量子密码的绝对安全。
但这不意味着任何以量子保密协议为基础的通信系统都是安全的。因为所进行的实验未必真正符合保密协议安全性证明中所要求的前提条件，量子通信还需要解决由于实际系统中元器件的不完美性所带来的安全性问题。
比如，对于著名的BB84协议，一个完整的量子密钥分发系统包括光源、编码、信道传输、解码、探测五个部分。
拿光源来说，目前都是采用单一强度弱相干态来代替单光子，这就必然会导致光子数分流攻击的可能性（诱骗态协议能有效解决这个问题）；而针对探测部分，理论上要求单光子探测器的效率为1，暗计数为0，死时间为0等，然而这些条件在实际中都无法得到满足，于是时移攻击、致盲攻击有了可乘之机；此外，编码、解码、信道传输等设备的缺陷都可能带来不同程度的安全隐患。
量子通信的安全漏洞还在不断浮出水面。虽然从原理上看，这些攻击方式都可以克服，但必须充分挖掘各种安全漏洞并加以克服，才能真正保证量子通信的安全性。
可喜的是，中国科学家在提高实际量子通信系统的安全性方面不断取得突破。
例如，2013年，潘建伟团队与清华大学马雄峰等组成的联合研究小组，利用与美国斯坦福大学联合开发的高效低噪声上转换单光子探测器，在国际上首次实现了测量器件无关的量子密钥分发，成功解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患，大大提高了现实量子密钥分发系统的安全性，并于2014年将安全通信距离提高至200公里，创下了新的世界纪录。
这两项成果先后入选美国物理学会2013年度国际物理学重大进展（Highlights of the Year）和两院院士评选的2014年中国十大科技进展新闻。
虽然绝对安全的量子密码还有很长的路要走，但是毕竟有了原理的保证，工程技术难题的解决都只是时间问题。不可克隆原理赋予了量子密码长久的生命力，我们完全有理由对量子密钥充满信心。
全量子时代何时到来？
基于卫星的全球化量子通信网络的建成，将深刻改变全世界的通信格局，传递绝密信息将变得前所未有的安全。
然而，仅仅安全就够了吗？量子通信志不止于此。科学家们要实现的是全量子网络。
全量子网络与我们前面所说的量子通信网络有何不同呢？
对现阶段的我们来说，需要传递的信息都只不过是经典的“0或1”。这是由于我们日常世界中的信息都是用经典的方式表示的。
但可以肯定的是，随着量子科学的发展进步，它将不可避免地深入渗透人们的生产生活。未来有一天，仅仅传输经典信息将难以满足需要，人们需要直接传输量子态和量子纠缠，传输后的量子态应该可以直接被读取和识别。
那时，全量子网络将应运而生！它将意味着人类从经典信息时代跨越到量子信息时代。
有专家推测，全量子网络的实现可能会首先萌芽于大学和科研机构，因为这些机构和实验室有着量子态操控和测量的直接需要。而要传输量子态，经典信道无能为力，必须借助全量子网络，也就是科研机构“量子科学实验协作网”。
接下来，若是希望籍此进一步改变世界面貌，量子计算机必将是全量子时代一个绕不开的关卡。
我们知道，经典计算机面临着自身天然的局限性，计算速度和性能受到极大限制。而量子计算机基于量子态叠加原理和量子纠缠特性，具有经典计算机无法比拟的、快速的、高保密的计算功能。
其实，量子计算机同样是进行运算、存储及信息处理的物理装置。只不过，量子计算机的信息编码是在基本粒子或其他微观系统的量子态上，可以克服经典计算机尺度受限的问题。
现在，在某些特定问题上，人们已经找到了独特的量子算法，大幅提高计算速度，缩短计算时间。有了量子计算机，量子互联网络时代就不再遥远。
科学家设想，量子互联网将以量子计算机作为节点，通过量子信道进行连接。量子计算机网络中传送的信息大部分是由量子态表示的中间态或计算结果，全量子通信因此得以实现。
就目前来说，这种伟大设想还有很多技术问题有待解决，包括量子计算机网络中不同物理系统间的量子连通性等。此外，实用化的量子互联网对通信的时效性、误码率也有一定要求。
解决这些技术问题，科学家们还有很长的路要走。
没有量子应用，人工智能永远取代不了人类？
今年3月，AlphaGo对战世界围棋冠军、职业九段选手李世石，大获全胜。
在变化多端的围棋面前，AlphaGo展现出了强大的深度学习和类神经网络技术。人们不禁要问，量子计算机超强的计算能力会不会成为人类“终结者”呢？
理论上来讲，这种担忧不无道理。
量子计算机采用的是量子比特。不同于传统比特，量子比特不仅可以表示0和1，还可以表示0和1的叠加态。随着比特位数的增加，量子比特表示的信息量随指数上升，运算和存储能力会产生质的飞跃。
科学家预测，未来5到10年将能够实现100个量子比特的相关操纵。
这是什么概念呢？据估计，当能够操纵25个粒子时，它在某些特定计算问题的求解速度上和商用CPU相当；而能操纵45个粒子时，它的计算能力（可能仅针对某一类特定功能）就和天河二号难分伯仲。
当有100个量子存储单元的量子计算机出现，在人工智能和大数据技术里要求解10的24次方，利用目前的天河二号大概需要100年，但利用这种量子计算机就只需要0.01秒。
除了惊人的并行运算和存储能力，量子计算还在另一个层面上类似于人脑，那就是鬼魅的“纠缠”。那么，对于人工智能来说，量子纠缠效应意味着什么呢？
科学家举过一个例子。“如果一个经典机器人前面放着两盆花，两盆花跟机器人的距离是一样的，我让机器人拿一束花献给我的女友，这两盆花长得一样，跟你的距离也是一样，即机器人看到的所有东西完全一样的情况下，如果没有事先预置程序，机器人就会死机。”
这就是经典机器人和人脑的区别——机器人预置的所有信息都是可以复制的。但当你不知道人类的大脑在思考什么时，人类大脑里的信息是复制不出来的。“不可测”保证了人类和机器人的本质区别，人类有自由的意志和自由的思想。
但当量子计算机横空出世，情况可能会有质的变化。人类大脑里面的思维机制和量子纠缠、量子叠加是十分类似的。量子计算机天然地带有类似人脑的学习属性，再加上其海量的数据处理能力，模仿人类的神经网络也许并不是那么遥不可及。
如果像《变形金刚》里提到的，机器人装上量子大脑，人工智能取代人类也许就不是神话。
不过目前看来，这种担心大可不必，因为量子计算机的运行对环境要求极为苛刻：真空、接近绝对零度、磁场保护。地球上的环境还不允许“量子机器人”横行街市。
“乾坤大挪移”是真是幻？
电影《星际迷航》系列的导演强调过一种光波传送器，它可以获取并移动人体。借由这种神奇的装置，人们可以瞬间转移旅行。
这种科幻想象是否有望成真？量子通信技术是一线曙光吗？量子隐形传态最终能否用于传送宏观的实际物质或能量呢？
答案可能要让科幻迷们失望了——量子隐形传态传送的是“态”，而非实物。
当然，科幻迷们可以大胆展开想象。比如，在甲乙两地进行纠缠，在甲地对实物进行测量，将测量结果传输到乙地，乙地根据结果用纠缠粒子重构物体。也就是说，乙地得到的是原有物体所有态的复制品。
那么，这一终极梦想可否通过量子通信技术实现呢？只怕不那么乐观。
首先，实物隐形传态要求发送方测量并传送该实物的所有信息，传送宏观实物所需的纠缠数量将非常巨大！一个人原子数量的数量级在1027~1028以上，理论上说，至少同数量级的纠缠粒子才能实现人体原子部分的传送。这么大量级的纠缠粒子制备是不可接受的。
其次，真正的量子物理体系拥有多种自由度。即使是一个最简单的基本粒子，如单光子，它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等。更何况实物传送还要求传送组成实物的基本粒子的所有信息，这就不仅包含单个粒子的内禀属性，还包括粒子间相互作用的信息。因此，发送方的量子测量过程也必须同时在多个自由度上实现，这也是实物隐形传态研究者将要面临的一大难题（潘建伟及其同事陆朝阳、刘乃乐等去年在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态，该成果以封面标题的形式发表于《自然》杂志）。
最后，如果待传送的实物是一个生命体，那就更蹊跷了。传输需要短暂的时间，待传送的宏观实物如果是一只猫，那么一旦中断则会完全失败，即传输物质不可储存。那么在传输到一半的猫时会是什么状态呢？即使传送成功，接受端得到的复制品是否能和之前的猫具有一样的记忆和意识呢？
看来，隐形传态传送实物的前景并不乐观，你我有生之年，《星际迷航》中那神奇的传送门可能都无法实现。
但无论如何，过去100年间，量子力学理论如同一片奇幻森林，时而曲径通幽，云山雾罩；时而峰回路转，恣意汪洋。同时，它几乎深入自然科学和技术的每个角落，给人类带来了如此之多的重要发现和应用。
量子物理深入凝聚态理论，半导体和微电子技术才成为可能；晶格衍射知识为人们掌握，显微镜下的分子生物学世界才展现在人们面前；高能粒子相互作用是量子物理的舞台，为了研究这类相互作用，人们建设了欧洲核子研究中心，顺便开发出了我们如今都在使用的网页浏览器……
可以说，量子物理理论和技术的发展，在能源、信息技术、材料科学、计算机技术等领域都引发了革命性的影响。
如今，量子科学实验卫星的成功发射和运行将标志着广域量子通信研究迈进了基于卫星网络的“星地时代”。
那么未来呢？我们完全有理由相信，在未来的100年间量子通信和其他量子分支还会给我们带来更多激动人心的惊喜。
也许，正如著名物理学家玻尔所说：“人们很难做出预测——尤其是未来（It is very difficult to predict—— especially the future）。”
量子理论远未走到尽头，它自诞生以来，就担负了太多疑惑、荣耀和人类最深邃的想象，也注定要继续影响整个人类社会的未来。■
（作者系中国科学技术大学近代物理系博士）
《科学新闻》 (科学新闻2016年5月刊 纵览)
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