量子技術(shù)能否打開科幻世界大門

還記得這樣的場景嗎？電影中，主人公走入一扇“任意門”，瞬間就穿越來到另一個空間……在量子世界里，這或許不是幻想。8月16日凌晨，我國發(fā)射了全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。為此，筆者采訪了量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士、中科院物理所研究員呂力、北京大學(xué)物理系教授劉雄軍，帶你一起走進神奇的量子世界。

問：量子究竟是什么？

答：量子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小單元，不存在“半個光子”，同理，也不存在“半個氫原子”“半個水分子”等等。量子世界中有兩個基本原理：

——量子疊加。這是指一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。著名的“薛定諤的貓”就是基于這個理論之上。

——量子糾纏。當兩個微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應(yīng)改變。

問：世界上真有“絕對安全”的通信嗎？

答：這得先說說通信中信息是如何被竊取的。傳統(tǒng)光通信是通過光的強弱變化傳輸信息。從中分出一丁點光并不影響其他光繼續(xù)傳輸信息，測量這一丁點光原理上就能竊取信息。

量子通信則完全不同。竊聽者如果想攔截量子信號，并對其進行測量，將不可避免地破壞攜帶密鑰信息的量子態(tài)。根據(jù)量子“測不準定理”，這種破壞必然會被信息發(fā)送者和接收者所發(fā)現(xiàn)。是否可以不破壞傳輸?shù)牧孔討B(tài)，只截取并復(fù)制，再繼續(xù)發(fā)送？這已被“量子不可克隆定理”完全排除，于是也就保證了量子通信的絕對安全。

問：“量子態(tài)隱形傳輸”意味著能實現(xiàn)《星際迷航》里的瞬間移動嗎？

答：“量子態(tài)隱形傳輸”是基于量子疊加和量子糾纏的特性，就是甲地某一粒子的未知量子態(tài)，可以在乙地的另一粒子上還原出來。其實傳輸?shù)氖橇Ｗ拥牧孔討B(tài)，而不是粒子本身。這種狀態(tài)傳送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬間移動”。

現(xiàn)在，在光子、原子等層面已經(jīng)實現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸。電影里“大變活人”在原理上是允許的，但目前還遠遠做不到。因為科幻電影里人的傳送，不僅需要把人的實體部分的大量原子、分子傳送，并且需嚴格按照原來的相對位置重新排列起來，而重現(xiàn)意識和記憶就更復(fù)雜了。不過，隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進步，也許未來我們還是可以實現(xiàn)人的量子隱形傳態(tài)的。

問：將來機器會不會像《變形金剛》里一樣被裝上量子大腦，從而取代人類？

答：所謂量子大腦，其實就是當今正在研制中的量子計算機。未來的量子計算機可能會對人工智能起到極大的幫助，在數(shù)據(jù)搜索、分析和處理方面提供遠遠超過目前經(jīng)典計算機的運算能力。研究發(fā)現(xiàn)，人腦中的思維機制與量子疊加、量子糾纏或許存在相似之處，未來可望創(chuàng)造出與人腦一樣運行的人工智能機器人，但這目前還只是一種暢想。

問：量子技術(shù)什么時候才能“飛入尋常百姓家”？

答：量子通信目前已經(jīng)實現(xiàn)在金融、政務(wù)系統(tǒng)等方面的使用。要讓每個人都用上，樂觀的話需要10～15年。這需要對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進行改造，還涉及標準制定。而量子計算目前仍然處于基礎(chǔ)研究的階段，前進道路上還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

問：量子科學(xué)和技術(shù)究竟將帶來一個怎樣的未來？

答：量子科學(xué)和技術(shù)其實已經(jīng)在方方面面影響著我們的日常生活。我們目前正在廣為使用的計算機、手機、互聯(lián)網(wǎng)、時間標準和導(dǎo)航，包括醫(yī)院里的磁共振成像等等，無一不得益于量子科學(xué)和技術(shù)。

用發(fā)展的眼光看，隨著微納加工、超冷原子量子調(diào)控等技術(shù)的不斷進步，人類將能夠制備出越來越復(fù)雜、功能越來越強大的各種人造量子系統(tǒng)?？傊孔涌茖W(xué)和技術(shù)的廣泛應(yīng)用最終將把人類社會帶入到量子時代，實現(xiàn)更高的工作效率、更安全的數(shù)據(jù)通信、更綠色的生活方式。榮啟涵 吳晶晶 白國龍