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量子通信,玄而不虚

发布时间:2018-03-27 11:45 来源:荆楚网

量子信息成果“入选”习近平主席2018年新年贺词

国家主席习近平发表二〇一八年新年贺词,在回顾我国2017年科技创新方面的成就时,特别提到了我国研制的世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机。习主席在贺词中说:“科技创新、重大工程建设捷报频传。‘慧眼’卫星遨游太空,C919大型客机飞上蓝天,量子计算机研制成功,……我为中国人民迸发出来的创造伟力喝彩!”纵观全世界,从美国到欧洲、从顶尖科研机构到科技企业巨头,围绕量子技术的攻关已全面展开,量子革命引发的新一轮科技竞赛如火如荼。那么究竟什么是量子理论?量子通信能为我们解决哪些问题呢?我国在量子信息研究进展如何?今天我们就来探个究竟。

什么是量子理论

量子这个词来自于拉丁语,意思是多少,当它被普朗克引入他的量子理论后,就被赋予了如此的概念,也就是说,任何一种能量都不是连续,它是以特定的量,成批的被放出来或吸收的,这种特定的量被称为量子。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。

量子论的发展是随着人们对微观世界的认识的提升而发展起来的,当时,人们发现的各种物理新现象都涉及物质内部的微观过程,用已经建立起来的经典理论进行解释显得无能为力。举个例子,大家都熟悉光是有波粒二象性的,也都知道光双缝的干涉实验是证明了光存在波的属性的,实验结果是在光线通过双缝后在后面的荧幕上产生了干涉条纹。改变一下实验条件:每一次只发射一个光粒子,结果将是如何?荧幕上是否会产生如同波干涉一样的条纹么(如果是粒子没有其他粒子影响,按经典理论该粒子应当重复之前路径)?结果是即便一次只发射一个光粒子,这个粒子依旧会产生干涉(显像位置按概率出现,无法使用经典理论解释)。

关于量子理论的诞生,还有一个小小的插曲:1900的一天,普朗克和儿子在树林里面散步,他对儿子说,今天他完成了重大发现,它的重要性呀,堪与牛顿的发现相媲美,对量子论的发展,有重大影响。由于普朗克的这一成就,能量的不连续性,才进入人对自然过程更深入的认识之中,他本人也应此获得了1918诺贝尔物理学奖。

量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论揭示了微观物质世界的基本规律,为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。它还促使了很多科技的发展,例如LEDs、激光和电脑芯片。

量子观下的我们

量子力学理论认为粒子过去的行为会基于我们所看到的而发生改变,也就是说,当我们不再看这个宇宙,那么宇宙将不复存在。尽管听上去非常怪异,但物理学家们的理论实验证实了量子理论的正确性。怎么解释这个理论呢:当物理学家观察光的原子或者粒子时,它的具体特性有两个选择:作为粒子或者作为波。那么,这个物体会作何选择呢?人们的常识可能会觉得这个物体要么会表现得类似于波,要么会表现得类似粒子,与我们测量它们的方式无关。但量子力学预测你究竟是观察到类似波的特性还是粒子的特性,只取决于你测量这个物体的方式。“这证明了测量才是关键。从量子学角度看,如果你不观察它,那么现实并不存在。”

特拉斯科特教授的研究小组用微观的方法验证了量子理论,他们首次捕获了一群氦原子,然后将这些原子发射出去直到最后只剩下一个原子。这个单一的原子掉下穿过一对激光束,后者形成了格栅样式,就像一个十字路口,导致光会散射。接着第二束光栅被随机添加进去,与通道重新结合,这会导致有益或者有害的干涉——放氦原子经过了两条通道。当没有添加第二条光栅时,则不会观察到任何干涉,这就仿佛原子只选择了一条通道。

然而,决定是否添加光栅的随机数量只是在原子已经通过十字路口后产生的。如果你选择相信原子的确选择了一条特殊的通道,那么你就必须接受未来的测量会影响原子的过去,特拉斯科特教授解释道。“原子并没有从A处行驶到B处。只有它在行程结束时被测量时,它的类似波的特性或者类似例子的特性才存在。”

量子通信能解决什么问题

量子通讯是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科,与成熟的通信技术相比,量子通讯具有巨大的优越性,具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通讯不仅在军事、国防等领域具有重要的作用,而且会极大地促进国民经济的发展。

2008年,人类首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子,实现了太空绝密传输量子信息的重大突破。这一突破表明在太空和地球之间可以构建安全的量子通道来传输信息,用于全球通信,并通信安全性问题。

在通信领域,由于传统信息加密技术依赖数学算法的复杂性,但随着计算能力的飞速提升,再复杂的加密算法也有可能被破解。而基于“量子密钥”的量子通信,则从客观物理规律这一根本出发,做到“绝对安全”。

用一个光量子传递信息时,窃听者无法分割出“半个量子”来获取信息;量子力学的“测不准原理”则约束了窃听行为本身,只要有人试图测量量子,量子的状态就自动发生改变,“举报”窃听行为;此外,量子的不可克隆性决定了窃听者无法精准复制量子信息。

因此,用量子做成“密钥”来传递信息,窃听必然会被发现,且加密内容不可破译。

我国量子研究的进展

国家发改委办公厅印发《关于组织实施2018年新一代信息基础设施建设工程的通知》,指出2018年,发改委将继续组织实施新一代信息基础设建设工程,支持重点包括5G、量子通信等。通知指出,构建量子保密通信网络运营服务体系,进一步推进其在信息通信领域及政务、金融、电力等行业的应用。

20168月,由我国完全自主研制的世界上第一颗空间量子科学实验卫星“墨子号”成功发射升空。墨子号作为唯一诞生于美国本土之外的创新技术入选《科学美国人》评选的2016年度“改变世界的十大创新技术”。

20177月,中国首个商用量子通信专网“济南党政机关量子通信专网”完成测试,保密性、安全性、成码率的测试均达到设计目标,并于8月底正式投入使用。

9月底,世界首条量子保密通信“京沪干线”正式开通运行,即结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路,我国科学家成功实现了洲际量子保密通信。这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形。

                     

值得一提的是,在2017年光谷航天激光技术产业国际论坛上,武汉市量子通信城域网运营服务启动,这是华中地区首个量子通信城域网。武汉正式进入“永不泄密”的量子通信时代。此外,近300公里的量子通信“武(汉)合(肥)干线”正在建设中,未来可接入国家量子通信“京沪干线”网络,实现武汉与北京、上海、合肥等“京沪干线”沿线城市的量子通信。

量子通信事关国家信息和国防安全,美欧等发达国家和地区正争相抢占这一信息科技和产业高地。我国量子通信技术领跑世界,湖北作为光电子产业的集聚区应该抓住机遇,推动产业转型升级。

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