當信息時代遇上“量子”

曹天元

近些年，“量子”一詞熱度明顯提升。不僅流行文化如科幻文學、影視、動漫等作品中越來越多地出現(xiàn)量子概念，在科技報道里也時?？梢钥吹搅孔宇I(lǐng)域突破性進展的新聞。這并非偶然，因為如今量子領(lǐng)域正面臨一場新的革命，也就是所謂“二次量子革命”。只不過這一次，走在時代前沿的是量子力學與信息科學的交叉領(lǐng)域——量子信息。

憑借“絕無僅有”的安全性，量子信息將為解決信息安全問題提供支撐。

什么是量子信息？我們知道，以電腦、通信、互聯(lián)網(wǎng)等為代表的信息技術(shù)已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生活。然而，隨著時代發(fā)展，科學家們發(fā)現(xiàn)，如果把傳統(tǒng)的表征信息的基本物理單元替換成符合量子力學規(guī)律的微觀量子系統(tǒng)，從而將量子力學基本原理運用到數(shù)據(jù)計算、加密、傳輸?shù)刃畔⑻幚磉^程中，將能完成一些傳統(tǒng)信息技術(shù)無法想象的任務，這些領(lǐng)域統(tǒng)稱為“量子信息”。

量子信息主要的三個方向是量子計算、量子加密與量子傳輸。

量子計算利用的是量子論里獨特的“量子疊加態(tài)”。量子論和經(jīng)典物理的最大不同，就是它認為事物狀態(tài)并不是唯一確定的，而可以是各種可能性的“疊加”。傳統(tǒng)計算機處理信息的最小單位比特，要么是0要么是1，不可能有其他狀態(tài)：但在量子論看來，一個比特可以既是0又是l，也就是處于0和1的疊加態(tài)，這叫作“量子比特”。量子計算機就是利用這種性質(zhì)進行計算的，因為處理的是處于疊加態(tài)的量子比特，所以可以用同步并行的方式進行。換句話說，傳統(tǒng)計算機一次只能處理一個信息，而量子計算機一次可以處理N個信息的疊加，計算效率大大提高。這就使量子計算在某些領(lǐng)域極具威力。比如破解密碼，今天流行的加密方式，其安全性主要建立在電腦計算能力的限制上——只要密碼足夠長，哪怕把全世界最強大的超級計算機放到一起計算，也未必能夠算出結(jié)果。而一旦量子計算機成功面世，現(xiàn)行加密體系將面臨失效。需要說明的是，并不是在所有問題上，量子計算機效率都高于傳統(tǒng)計算機。由于目前只發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾種量子算法，因此只在特定問題上，量子計算機才具有明顯優(yōu)勢。除破解密碼，在天氣預報、藥物合成、深度學習、人工智能開發(fā)等領(lǐng)域，量子計算都被證明大有可為。

量子加密利用的是量子不可克隆原理。量子力學認為，不可能把一個粒子的狀態(tài)信息精確“拷貝”一份而不改變它本身。利用這種不可克隆性，可以實現(xiàn)一種理論上“絕對安全”的加密手段。在實踐中，我們用光子的偏振方向來“編碼”隨機產(chǎn)生的密鑰信息，一旦這些光子在傳輸途中被人竊聽，由于不可克隆原理，它們的初始狀態(tài)必定遭到破壞，傳輸方和接收方很容易通過比較發(fā)現(xiàn)這一點，并重新更換密碼。只有當雙方確認接收到的密碼未遭竊聽之后，才會發(fā)送加密過的正文，從而保證內(nèi)容傳輸?shù)慕^對安全。

量子傳輸利用的是“量子糾纏”。所謂“糾纏”，指的是兩個粒子的狀態(tài)會產(chǎn)生量子力學系統(tǒng)所特有的奇特關(guān)聯(lián)。你可以想象成拋兩枚硬幣，一旦它們“糾纏”在一起，就一定會拋出同樣的結(jié)果。神奇的是，哪怕這兩枚硬幣后來相隔遙遠，甚至飛到宇宙兩端，它們之間的“糾纏”也仍然可以繼續(xù)存在。利用這一原理，我們可以把一個粒子的狀態(tài)原封不動地“傳送”到另一個粒子身上。在劉慈欣科幻小說《三體》里，三體人制造了4個智子，其中兩個智子發(fā)射到地球，另外兩個留在三體世界，正是憑借這些智子，三體人可以跨越4光年距離與人類進行實時溝通，這背后就是利用量子糾纏原理進行通信。當然，與科幻小說不同，真正的量子傳輸并不能超光速地“瞬間”傳送信息。因為在傳送粒子狀態(tài)過程中，我們還需要給接收方一個額外“密碼”來解密，而這個密碼仍然需要靠傳統(tǒng)通信手段來傳輸。除了不能超光速，從原則上講，科幻電影里常見的場景——一個物體在一處消逝，再在另一處重現(xiàn)，并非是完全不可能的，只是現(xiàn)階段技術(shù)水平還僅局限在傳送原子、光子等微觀狀態(tài)。憑借量子加密和量子傳輸“絕無僅有”的安全性，量子信息技術(shù)將為解決備受世界關(guān)注的信息安全問題提供支撐。

量子信息在通信、國防安全、金融等方面具有廣闊應用價值和前景，因此迅速成為世界各國大力發(fā)展的重點領(lǐng)域。在這輪量子信息浪潮中，在若干方向上，中國當之無愧是領(lǐng)跑者之一。2016年，中國發(fā)射了世界上第一顆量子通信衛(wèi)星“墨子號”;2017年，全球首個遠距離量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”正式開通，可為沿線金融機構(gòu)、政府部門等提供高安全等級量子保密通信業(yè)務支持?？梢哉f，在量子加密、量子傳輸?shù)阮I(lǐng)域，我們已經(jīng)取得國際領(lǐng)先地位，在超導量子計算等方向上，我們的進步也非常顯著。

如今，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正處于重要交會期，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為標志的信息技術(shù)革命正深刻改變著世界面貌和人類生產(chǎn)生活。關(guān)于量子信息乃至整個信息科學的科普工作，還有很大進步空間，眾所周知，我們今天生活在一個信息時代，和量子論一樣，創(chuàng)立于70多年前的信息論也是一門深刻改變了世界的學說，但在這個領(lǐng)域，至今仍然缺乏在公眾中具有廣泛影響力的科普作品。信息論和量子論的結(jié)合正煥發(fā)新的絢爛光彩，這跟我們每個人息息相關(guān)，應該被更深入地認識和理解。

（選自《人民日報》2020年1月21日，有刪改）