6月,潘建伟教授的团队将量子态隐形传输的距离延长到16公里,这是目前世界上最好的成绩。
 
      2010年6月6日,中国移动手机报中一条关于量子传输技术的新闻激起了阅读者的兴趣,因为记者模糊地描述了给人一种类似于崂山道士般隔空取物、移形换影的技术诞生感觉。
实际肯定不是这么回事。这还要从波粒二象性说起,光表现得像波,又像是粒子,这完全取决于如何观测它。如果你让一个光子打在显示屏上,那么它会留下一个小点,看起来像是粒子;而如果让它通过两道窄缝,那么它就会显示出干涉花纹,看起来像是波。
 
      看起来有些违反直觉,但是这却是我们目前能够找到的最好的解释。我们将传统的宏观世界物理学称为经典物理,而量子理论则在物质底层、那些构成了我们这个世界的最基本元素那里颠覆了这套经典。这样的特性将会让我们的生活出现翻天覆地的变化。例如,将会制造出能百分之百将光能转化为电能的电池,能制造出更加安全以至于完全无法窃听的通讯手段,后者就是中国科技大学潘建伟教授所做的工作。6月,潘建伟教授的团队将量子态隐形传输的距离延长到16公里,这是目前世界上最好的成绩。
 
      我们生活中大部分事物都是相当确定的,但是在物质底层却并非如此。世界上万物都是由更小的部分组成,一直到我们现在能够直接观测到的原子;而原子又是由质子、中子和电子构成,电子在不同能级跃迁时则会将能量转化为光子。像光子这样的波粒二象性并不是特例,其他粒子也都普遍具有这种特征。我们同样不知道电子是波还是微粒,唯一知道的只是用什么样的方式来观测就会得到什么样的性质,仅此而已。就像是我们带着一副特定颜色的眼镜来看这个世界一样—戴什么颜色的眼镜,就决定了世界的颜色。
 
      看起来有些唯心主义的味道,但是却是事实。量子理论中有一些听起来不可思议的现象,但是却都经历了数学证明以确认它的真实性。量子纠缠就是其中的一种。当两个来自同一系统的粒子被分开时,如果改变其中一个粒子的状态,那么另一个粒子也会同时转变为相同的状态,而无论它们之间的距离有多远。好像这两颗粒子之间存在超越了时间和空间的心灵感应一般。
 
      这种特性曾经让爱因斯坦大为困惑,将之称为“鬼魅般的超距作用”。似乎光速不变在量子纠缠面前失效,两颗纠缠态的粒子之间的通讯速度居然可以达到无穷大。相关的争论层出不穷,直到1980年代后才通过实验得以解决:人们真正观测到了量子纠缠现象。物理学家们提出了许多理论来解释这种看起来完全不可思议的现象,但是并没有任何一个成为所有人公认的主流理论。虽然我们可以利用量子纠缠现象来通讯,但是我们并不知道为什么会有这种现象存在。
 
      虽然“超距作用”这样的词汇很有吸引力,但是量子纠缠并没有办法让我们实现科幻小说里的超光速通讯甚至瞬间移动。量子本身不能携带除了本身物理状态之外的其他信息,虽然远在天边的两人可以各拿着一个粒子,但是他们却无法仅仅通过观测而知道对方是否改变了粒子的状态。如果要进行通讯,那么依然需要依靠传统通讯方法,光速依然不可逾越。
 
      量子传输不能让我们瞬间跨越星际,但是它可以完美解决通讯中的安全问题,也可以帮助制造出更快的新型电脑,快到让现在的电脑看起来运行速度像是老牛拉车。量子纠缠可以将通讯过程中每一瞬间的信号都随机加密,与之对应的纠缠态量子将会帮助人们实时解密,而窃听方则毫无解密的机会。利用量子纠缠的计算机将可以同时进行大量计算,现在看来需要动用全球计算能力计算数万年才能破解的经典加密方式,在量子计算面前只像是一张一捅即破的薄纸。
 
      然而在环境的作用下,量子不能长时间保持纠缠态,它们会逐渐表现得更像是经典理论的结果。如何能够让粒子实现更好的纠缠态—被称为“纯化”—以及将纠缠态的时间保持得更久,就成了量子通讯中的重要课题。在过去十年中,人们已经成功实现了量子态隐形传送和纠缠态交换、多光子纠缠态和纠缠态纯化,并且将量子保密通讯的距离延伸到了200公里以上。
 
      潘建伟的团队在这一领域走在世界前列。他们在2007年实现了对单个原子的冷冻,以保持粒子纠缠的特性。他们已经能够让这种纠缠特性保持超过1毫秒,这意味着理论上可以实现300公里距离的通讯。2008年他们制造出了“量子中继器”,可以将量子纠缠读出并且转化为光子纠缠,为通讯和量子计算奠定了基础;在2009年更是将量子通讯延伸到了实用层面,开发出的量子电话样机保证了实时和牢不可破的加密通讯。
 
      最近的这项新成果,更是将中国在量子通讯的研究推进到了最前沿。潘建伟认为,也许在未来十年中,量子通讯就会成为广泛使用的通讯技术,而我们将会很快享受量子技术带来的更多便利和安全。
 
来源:第一财经周刊