量子科技：带来无限可能

陈庆修

量子是光子、质子、中子、电子、介子等基本粒子的统称，是目前物理世界已知的最小基本微粒。日常生活中无处不在的光就由大量光量子组成。在量子力学中，科学家聚焦的是：在单个原子或次原子粒子尺度上，物质与能量的行为和相互作用。相较于宏观物理世界，量子有很多奇妙特性，诸如量子叠加和量子纠缠。其中，对通信最重要的影响是“量子纠缠”。量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物，它包括量子密码、量子通信、量子计算机等，近年来，在理论和实验上都取得了重大突破。

20世纪90年代，物理学家在理论上证明，对微观世界的物体而言，借助神奇的“量子纠缠”，可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身。将量子力学理论和信息技术结合，通过对光子、原子等微观粒子的精确操纵，信息编码、存储、传输等处理方式将会发生革命性变革。

由于一个量子单元的行为能瞬间影响另一个量子单元，从而改变被测量物质的状态，这一特性意味着，不可能实现对一个未知量子单元的精确复制。基于这一原理，科学家提出了量子密码的概念，也就是用具有量子态的物质作为密码。

量子密码是应用量子纠缠效应来进行信息的保密性传输，它的优点在于：不必在密码编辑上劳神费力，甚至根本不用常规密码，直接把信息以纠缠态方式发送，即可完美保密。原因是，当黑客闯入传输网络，光子束会出现紊乱，每个节点的探测器都会指出错误等级的增加，从而发出受干扰警报；发送与接收双方也会随机选取比较，全部匹配才会确认信息没有被窃听。这样一来，黑客就无法不留痕迹地闯入一个量子系统，甚至连尝试解码这一举动，都会导致量子密码系统改变原有状态。当然，即便有黑客成功拦截获得了一组密码信息的解码钥匙，也仅是乱码信息，而在完成这一举动的同时，也导致了密钥的变化。当合法的信息接收者检查钥匙时，则可以从量子态的改变中知道密码曾被截取过，一旦发现破绽，就会马上更换新的密钥。

量子密码的出现使密钥的安全性产生了全新变化。将量子密码应用于量子通信系统中，就成了量子保密通信。随着量子通信技术产业化和广域量子通信网络的实现，用不了太多时日，量子保密通信作为保障信息社会通信安全的关键技术，将会走向大规模应用——广泛应用于政治、经济、科技、金融等重要领域，为信息化社会提供基础的保密服务和最可靠的安全保障。

除了安全保密外，“神速”也是量子通信的另一大优势。传统通信的算法基础是0或1，而量子通信是量子单元，不仅含有0或1，还有0和1共存的状态，所有单元可同时完成逻辑运算，同时完成多重任务。量子计算机的这一特性，注定了量子通信的速度将比现在的通信速度大大提高。例如，4G网络延迟时间为50毫秒，无线电信号从火星传到地球要延迟十几分钟。而采用量子通信技术，不受传输距离影响，可消除延迟现象，实现“即时”通信。在未来，量子通信即时沟通的优势将大有用武之地。

显而易见，量子特性在信息领域中有着独特功用，在提高運算速度、确保信息安全、增大信息容量等方面，将突破现有信息系统的极限。量子通信可以从根本上杜绝窃密，确保信息安全，并能够极大提高信息处理速度。量子通信大规模推广应用后，“量子互联网”将顺理成章取代现如今的互联网。

而量子信息技术实用化的难点在于，对多粒子纠缠的操纵，这也是量子信息处理的核心物理资源。科学研究证明，要实现有实用价值的量子模拟机和量子计算机的基本功能，起码要实现几十到上百个量子比特的纠缠。目前，科学家仅能一次性将12种粒子纠缠起来；而量子计算机要实现商业化应用，至少需要将这一数字增加数十甚至上百倍。看来，量子通信的阶段性成果触手可及，而有决定性意义的成果还需再接再厉！

当然，量子理论的应用远超计算和通信领域，量子科学带来无限可能。正如爱因斯坦所说：“我们现在所看到的只是一个尚未完全理解的真正实体的局部。”通过量子理论，人类将有机会在微观和宏观世界之间架设桥梁。

总之，利用量子理论来变革信息技术，有望实现对信息处理能力的革命性突破，量子计算机和量子通信不只存在于科幻小说中，而是越来越接近现实世界。量子科技在推动人类社会文明进步方面将发挥颠覆性作用，要进一步创新技术和变革理念，以更好地操控多粒子纠缠，进而推动量子产业发展壮大。

（摘自经济日报2017年2月11日）