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追梦量子世界 2015-09-11 (作者:陈宇翱 中国科技大学教授)
量子是什么？在我们的生存空间里，量子以什么样的形态存在？量子技术对我们的生活带来了什么样的福音？分身术、隐形传输还将是遥远的神话么？ 说到量子，大家可能既熟悉又陌生。什么是量子？举个例子，我手里这个激光笔，这就是一支量子笔。我按一下翻页，大家知道有多少个量子从这里传输出去了吗？我可以告诉大家，有上万亿个量子已经从这里传到了电脑的接收端。是不是很厉害？它为什么这么厉害？请容许我给大家解释一下量子的概念。量子是能量的最小单位，所有的微观粒子都是量子，原子、分子、光子都是量子。大家知道，整个世界都是由微观粒子组成的，也就是说，整个世界都是量子组成的。这支笔、在座的大家，包括我，都是24K纯量子产品，呼一口气都是千万级数的量子进出，大家都是分分钟几亿上下的人才啊。 这样说来，量子并不神秘，也没什么高深的，但是量子研究的科学却已经成为近代科技的支柱，出现了诸如激光、核磁共振、巨磁阻等先进的科技进展，并且在未来，也一定会给我们更多的期待。 在量子世界中，有两个基本原理，一个是量子叠加原理，一个是量子隐形传态原理。理解了这两个原理，量子技术就不那么遥不可及。 首先要跟大家介绍的是量子的叠加原理。举个例子，《西游记》大家都看过吧！这是一部集中国古人想象之大成的经典之作。孙悟空在西游记中多次使用过分身术，一个分身挨骂，另一个分身呢去捣蛋。在量子世界里，量子就是孙悟空，可以有多个分身，但是，和孙悟空的分身术不同的地方在于，一旦他们被测量，也就是被发现了，就会只剩下一个分身，并且是随机的一个。假设有ABC三个分身，无论我们测量了其中哪一个，便会有随机的两个消失，可能是AB，可能是BC，可能是AC，而仅留下一个。 所以在被测量前，量子的世界里并存着多个分身。这是通过我们的一个实验得出的结论，这个实验叫“双缝实验”。有两个一模一样的缝隙，有一束光照过来，光会同时的、无差别的通过这两个缝隙，在缝隙后面的屏幕上留下相同的痕迹。但是如果我们在其中一个缝隙中放置了感知光的装置，也就是我们对它进行了测量，那么光便会只穿过一条缝隙，只留下一个痕迹了。 再打个形象一点的比方，假如我是一个量子，我从单位到家里有两条路，一条经过一个海鲜市场，一条经过一个鲜花市场。如果我开车下班，也就是说我是被测量了，被自己测量了，那我很确定我走的是哪条路，并且我太太也可以知道我走的哪条路。因为如果我走鲜花那条路，我身上就是鲜花味道，如果我走海鲜那条路，身上就是鱼腥味。可是如果我打车回家并且车上睡着了，没人测量我了，那我自己不知道我走的哪条路，我太太也无法知道，因为当她闻我身上的味道的时候，她发现我身上一半是香味一半是腥味。这就是量子叠加原理，当我醒着，状态被测量了，那我身上只有一种可能，一种状态。当没有测量我的状态的时候，我身上就是多种状态并存，就是量子的分身术。 一个量子是这样的，那如果我们把两个量子纠缠在一起又会怎么样呢？把你和我纠缠在一起，你和你的分身分别在上海和北京，我和我的分身也分别在上海和北京，一旦我的一个分身被测量到了，那么只有我的一个分身会消失吗？不是的，而是我和你在同一地方的分身都会消失，我们两个都分别只留下了一个分身。我们管这个现象叫量子纠缠，量子纠缠有什么作用呢？它帮助我们完成了量子的隐形传态。 那么，通过量子分手术和量子叠加原理的研究，我们究竟能干些什么呢？ 首先一个就是计算速度的飞跃。普通的计算机是二进制，只有0和1，而量子计算机利用量子叠加原理，也就是量子的分身术，就可以拥有0和1的叠加状态，进行并行计算。可操纵的量子数增长了，量子计算机的计算速度也就增长了。经典的计算机分解300位的大数需要15万年，但是量子计算机只要一秒钟！这样强大的计算能力，将为我们生活的方方面面提供帮助，比如密码分析、气象预报、石油勘探、基因分析、药物设计等等。 量子分身术还有一个更为直接的应用，就是量子保密通信。曾经，我们认为光缆是最安全的信息传递方式，将光缆放入几千米深的海底，就更加安全，除非将光缆剪断，否则信息几乎不可能被探测到。然而随着科学技术的发展，美国人已经发明出一种装置，利用潜水艇沉入海底，将这个装置在光缆上盘上一圈，很容易就可以窃取到一小部分信息，但就是这一小部分信息，就可能泄露了重要的国家机密。而这个窃密的装置需要多少成本呢？只有区区十万人民币左右！这样我们国家、我们个人还有什么机密可言？ 但是有了量子保密通信就不一样了！如果我们想要传输一个秘密给收信人，就要给收信人两样东西，钥匙和存放着物品的箱子。收信人只有同时收到秘钥和箱子，才可以打开箱子取出里面的物品。我们利用量子态来传递秘钥，一旦坏人截取了我的秘钥，是不是就能破获这个秘密呢？当然不可能！根据量子叠加原理，秘钥就是量子的多个分身，一旦被窃听，被测量，其他分身就会随机消失，我们就发现了，那我就废掉这把钥匙，再寄一把，直到我确保收信人拿到这把钥匙。然后呢我就选择普通方式寄出箱子就可以了，因为没有秘钥别人是打不开这个箱子的。这种方式足够安全吗？我可以告诉大家，只要信息传递不超过光速，只要时间不反演，这种加密方式是无条件安全的！ 我们发展量子通信技术的终极目标就是，构建一个全国乃至全球范围的量子保密通信网络。首先，在一个城市内建立这样一个网络，然后通过光纤把城市之间联系起来，然后通过卫星与地面站之间传输实现更远两个区域之间的连接。目前，我和我的同事们正沿着这个路线在努力着，我们已经先后在合肥、北京、济南建立了城市内的量子保密通信网络。现在我们正在做的是，建立连接北京和上海的量子保密通信干线，这个干线不同于我们平时说的高速铁路，这是一条传输加密信息的高速公路，建成之后，这两个城市的任意两个地方都可以传输加密信息。而在更偏远的地方，例如我国的西部，甚至是我国各个大使馆的所在地，这些光纤铺不到的地方，那怎么办呢？我们有另外一种方式，就是量子科学卫星，预计在2016年发射，我们要建一个卫星与地面的量子信息通道，通过卫星中转，可以联系到任何地方。 这些绝不是我个人的想象，我们有充分的理论和技术支持，并且也有成功的经验。在量子保密通信的支持下，从我们个人方面来说，我们的手机支付、网银支付都将变得更加安全。从国家方面来说，国家信息的泄露，类似于斯诺登事件也将逐渐杜绝。 随着我们对量子越来越深入的研究，可以说：未来，一切皆有可能！古人在《西游记》中想象了千里眼、顺风耳等神仙。在现代社会，电视机就是现代的千里眼，顺风耳呢，就是电话，可视电话，就是他们俩的合体。像孙悟空的筋斗云一样，我们去上海、去美国不用再坐火车、坐飞机，只要“嗖”的一下就到了目的地，真正实现了瞬间移动呀！ 再比如，神话故事中的天上一日地上一年。如果有一列没有终点、沿着铁轨一直行驶下去的列车，载着一些乘客，这部列车，不停加速直到每秒钟绕地球七圈、即达到光速的时候，列车上的时间将会被无限放慢，列车上的人以为只过去了一个月，列车停下后，他们走下车却发现地球上已经过去了三十年，来到了未来世界，真的是车上一日地上一年 虽然如何保持列车的永动、如何加速到光速，仍然是人类无法解决的问题，但我们有一群始终坚持理想的科学家，在一直不停的追梦。在常人的眼中，这些科学家的生活和工作是很无趣的，就像生活大爆炸里面这样，每天就是做实验，算公式，check email，枯燥，无聊，一点浪漫细胞也没有。可是恰恰是我们这群人，在用最无趣的方式，实现了一个个科技上的飞跃。因为我们心中始终有一个理想，那就是去实现人类最五彩绚烂的梦，做最浪漫的追梦人! 本文仅代表作者观点，不代表古雷网立场。 本文系作者授权古雷网发表，未经许可，不得转载。
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沙发 #
发布于：2015-09-11 23:31
好长的文章！！！！！！！！
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