技术上只差最后一步 量子通信还有多远

2014-07-24 08:54:16来源: 财经国家周刊

    技术上只差最后一步,就是利用卫星把城域和城际量子通信网络连接起来。

    自1900年马克斯·普朗克提出量子理论至今,已经过去了100多年,科学家们却依旧没能彻底弄清楚,量子纠缠这个"鬼魅"般的物理现象,到底有着怎样的作用机制。

    尽管如此,在量子纠缠现象被证实之后,量子计算、量子密码、量子通信甚至是瞬间移动等科幻般的技术应用,已被一一提出。

    所有这些畅想中,量子通信被公认为离人类最近的一项应用。由于量子纠缠现象的不确定性特性,这项未来的通信技术因具有"无懈可击"的安全性而备受青睐。

    从最开始的实验室理论,到上百公里的量子数据传输试验,再到如今中国横跨京沪上千公里的城际量子通信网络项目,科学家们关于全球广域量子通信网络的设想已经越来越近。

    "现在,技术上我们只差最后一步",中科院院士、中国科技大学教授潘建伟说,利用卫星把城域和城际量子通信网络连接起来。"

"鬼魅"量子纠缠

    追溯量子通信的起源,就必须先了解它的理论基础--量子纠缠。

    因为至今科学家们也还没有分析透彻这种物理现象是"怎么产生的",要科学而完整地解释量子纠缠,短期内或许仍是一个无解之题。

    好在科学家们已经基本搞清楚,量子纠缠"会发生什么"。如果从这个层面来看,那么它可以被描述为这样一种现象:两个共同来源的微观粒子之间,只要处于纠缠状态,那么只要一个粒子的量子(微观物理世界的光子等最小单元)状态发生变化,就会立即影响另一个粒子的状态。

    这种现象就好比人类世界中的孪生儿,彼此之间存在心灵感应。而且"诡异"的是,无论它们相隔多远,即使一个在太阳系另一个在几十万光年以外的星系,只要处于纠缠态,这种感应就会存在。

    这种现象触及了经典物理学的灵魂,在经典物理学中,物质之间总是要通过某种相互作用才能发生联系的,就好比你不可能通过一根没有鱼线的鱼竿,隔空钓起一只鱼。

    更有意思的,如果以制造硬币为例,我们如果要制造硬币,基本前提是需要测定制作硬币的模板,再根据模板进行大规模复制。但在量子世界,这枚硬币是"不确定"的,你根本没法测量它,一测它,它下一秒就会发生变化,根本没法复制。

再见"棱镜门"

    尽管至今还没有更好的解释,但量子纠缠的这种"不确定性",正是量子通信得到重视的基础。

    如果这种特性应用在通信技术上,就是天然的保密通信手段。

    传统的通信技术比如电话、互联网络,都需要通过有线或者无线的终端传输信息,他人要窃听你们的交流,只要复制整个对话过程就可以了,即使这段对话被加密了,只要连密码也一起复制,再解密为正常通话即可。

    想象一下,一旦通信中的信息和密码用量子来承载,情况会发生什么变化?

    由于量子纠缠的"不确定性",只要有人在途中打算复制窃听信息,一"碰"它的状态就改变了,窃听者拿到的只会是一堆毫无用处的信息。而且只要状态一改变,信息的合法接收人员就能立刻知道它被人动过手脚。

    除了"不确定性",量子通信所具有的另一特性是量子纠缠的"超距离作用",转换到量子通信上来,即量子通信的"隐形传输"特性。

    由于量子纠缠无视距离,即使完全被隔离的两个粒子,同样存在"心灵感应"。所以将这种特性运用到量子通信上,就使得两点的通信过程能在一瞬间同时完成,从根本上杜绝了被窃听被截获的可能。

    如果拥有这种理论上几乎绝对保密的通信技术,人们就可以和"棱镜门"之类的窃听计划说再见了。

后来居上的中国队

    量子通信的概念最早由美国科学家贝内特于1993年提出,在贝内特之后,6位来自不同国家的科学家,基于量子纠缠理论,又提出了利用经典物理学与量子物理学相结合的方法实现量子隐形传输的方案。

    这套最初的基本方案认为,可以将某个粒子的未知量子态传输到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处。

    由于可以与现有的通信技术相叠加,这套方案成了之后量子通信的基础方案,在随后的20年时间里,各国科学家和研究团队针对量子隐形传输开展了激烈的竞赛,最长传输距离的记录一次又一次被打破。

    值得一提的是,在这个新兴的竞争领域,中国虽然属于后来者,但研究进展却出人意料地后来居上,达到世界先进水平。

    比如作为国内量子通信领域的领军人物,潘建伟的科研团队2014年启动了量子通信京沪干线的建设。

    这个城际量子通信网络总长2000多公里,连接北京和上海两地,建成后将用于确保京沪两地金融信息的安全传输。

    城域和城际量子通信网络的应用并不是潘建伟的终极目标,在他看来,利用卫星将城域和城际网络连接起来,建设一个全球量子通信网络,才能真正体现出量子通信技术的意义。

    为了这个目标,潘建伟已经准备了很多年。早在2005年,潘建伟的科研团队在世界上首次实现了13公里的自由空间量子通信试验,证实了星-地量子通信的可能性;2012年,他们又实现了世界上首次百公里级别自由空间量子隐形传输,为发射全球首颗量子通信卫星奠定了技术基础。

    据介绍,2016年,中国将先于欧美发射量子科学实验卫星,使得中国成为第一个具有量子通信能力的国家。

    尽管后续从实验到真正的产业化大规模应用,还需要经过大量的技术验证和成本核算,但在潘建伟看来,只要做到量子卫星升空,中国就已经领先全球一大步。

关键字:量子通信

编辑:刘燚 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2014/0724/article_12454.html
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