科幻電影里，經(jīng)常出現(xiàn)一種類(lèi)似“傳送門(mén)”的機(jī)器——人或物體走進(jìn)去，瞬時(shí)就被傳送到另一處地點(diǎn)，甚至是另一個(gè)星球。
有人說(shuō)這種想象因違背相對(duì)論而只可能是幻想。但也有人說(shuō)量子通信為這種“乾坤大挪移”帶來(lái)曙光。
量子科學(xué)和技術(shù)究竟能為人類(lèi)世界帶來(lái)什么改變？真的存在無(wú)人能破譯的密碼嗎？量子計(jì)算機(jī)最終能讓機(jī)器產(chǎn)生“意識(shí)”嗎？
量子密碼真能帶來(lái)絕對(duì)安全嗎？
諜戰(zhàn)迷們應(yīng)該非常熟悉，密碼的戰(zhàn)爭(zhēng)波詭云譎，瞬息萬(wàn)變。加密和解密像“矛”與“盾”一樣，在此消彼長(zhǎng)間考量著情報(bào)人員的智慧機(jī)變。
現(xiàn)實(shí)世界里更是如此。大家意識(shí)到，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)成功可能只是時(shí)間問(wèn)題。那么，曾經(jīng)風(fēng)光一時(shí)的基于兩個(gè)大質(zhì)數(shù)乘積的RSA公鑰密碼體制很有可能在量子計(jì)算機(jī)面前一觸即破，開(kāi)發(fā)密鑰分配的新技術(shù)已經(jīng)刻不容緩。
出路還是“量子不可克隆原理”。簡(jiǎn)單地說(shuō)，對(duì)任意一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制過(guò)程是不可實(shí)現(xiàn)的，這從原理上保證了量子密碼的絕對(duì)安全。
但這不意味著任何以量子保密協(xié)議為基礎(chǔ)的通信系統(tǒng)都是安全的。因?yàn)樗M(jìn)行的實(shí)驗(yàn)未必真正符合保密協(xié)議安全性證明中所要求的前提條件，量子通信還需要解決由于實(shí)際系統(tǒng)中元器件的不完美性所帶來(lái)的安全性問(wèn)題。
比如，對(duì)于著名的BB84協(xié)議，一個(gè)完整的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)包括光源、編碼、信道傳輸、解碼、探測(cè)五個(gè)部分。
拿光源來(lái)說(shuō)，目前都是采用單一強(qiáng)度弱相干態(tài)來(lái)代替單光子，這就必然會(huì)導(dǎo)致光子數(shù)分流攻擊的可能性（誘騙態(tài)協(xié)議能有效解決這個(gè)問(wèn)題）；而針對(duì)探測(cè)部分，理論上要求單光子探測(cè)器的效率為1，暗計(jì)數(shù)為0，死時(shí)間為0等，然而這些條件在實(shí)際中都無(wú)法得到滿(mǎn)足，于是時(shí)移攻擊、致盲攻擊有了可乘之機(jī)；此外，編碼、解碼、信道傳輸?shù)仍O(shè)備的缺陷都可能帶來(lái)不同程度的安全隱患。
量子通信的安全漏洞還在不斷浮出水面。雖然從原理上看，這些攻擊方式都可以克服，但必須充分挖掘各種安全漏洞并加以克服，才能真正保證量子通信的安全性。
可喜的是，中國(guó)科學(xué)家在提高實(shí)際量子通信系統(tǒng)的安全性方面不斷取得突破。
例如，2013年，潘建偉團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)馬雄峰等組成的聯(lián)合研究小組，利用與美國(guó)斯坦福大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的高效低噪聲上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了測(cè)量器件無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)，成功解決了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中單光子探測(cè)系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實(shí)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全性，并于2014年將安全通信距離提高至200公里，創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄。
這兩項(xiàng)成果先后入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)2013年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展（Highlights of the Year）和兩院院士評(píng)選的2014年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。
雖然絕對(duì)安全的量子密碼還有很長(zhǎng)的路要走，但是畢竟有了原理的保證，工程技術(shù)難題的解決都只是時(shí)間問(wèn)題。不可克隆原理賦予了量子密碼長(zhǎng)久的生命力，我們完全有理由對(duì)量子密鑰充滿(mǎn)信心。
全量子時(shí)代何時(shí)到來(lái)？
基于衛(wèi)星的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)的建成，將深刻改變?nèi)澜绲耐ㄐ鸥窬�，傳遞絕密信息將變得前所未有的安全。
然而，僅僅安全就夠了嗎？量子通信志不止于此。科學(xué)家們要實(shí)現(xiàn)的是全量子網(wǎng)絡(luò)。
全量子網(wǎng)絡(luò)與我們前面所說(shuō)的量子通信網(wǎng)絡(luò)有何不同呢？
對(duì)現(xiàn)階段的我們來(lái)說(shuō)，需要傳遞的信息都只不過(guò)是經(jīng)典的“0或1”。這是由于我們?nèi)粘Ｊ澜缰械男畔⒍际怯媒?jīng)典的方式表示的。
但可以肯定的是，隨著量子科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，它將不可避免地深入滲透人們的生產(chǎn)生活。未來(lái)有一天，僅僅傳輸經(jīng)典信息將難以滿(mǎn)足需要，人們需要直接傳輸量子態(tài)和量子糾纏，傳輸后的量子態(tài)應(yīng)該可以直接被讀取和識(shí)別。
那時(shí)，全量子網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)運(yùn)而生！它將意味著人類(lèi)從經(jīng)典信息時(shí)代跨越到量子信息時(shí)代。
有專(zhuān)家推測(cè)，全量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)首先萌芽于大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)，因?yàn)檫@些機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室有著量子態(tài)操控和測(cè)量的直接需要。而要傳輸量子態(tài)，經(jīng)典信道無(wú)能為力，必須借助全量子網(wǎng)絡(luò)，也就是科研機(jī)構(gòu)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)協(xié)作網(wǎng)”。
接下來(lái)，若是希望籍此進(jìn)一步改變世界面貌，量子計(jì)算機(jī)必將是全量子時(shí)代一個(gè)繞不開(kāi)的關(guān)卡。
我們知道，經(jīng)典計(jì)算機(jī)面臨著自身天然的局限性，計(jì)算速度和性能受到極大限制。而量子計(jì)算機(jī)基于量子態(tài)疊加原理和量子糾纏特性，具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的、快速的、高保密的計(jì)算功能。
其實(shí)，量子計(jì)算機(jī)同樣是進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)及信息處理的物理裝置。只不過(guò)，量子計(jì)算機(jī)的信息編碼是在基本粒子或其他微觀(guān)系統(tǒng)的量子態(tài)上，可以克服經(jīng)典計(jì)算機(jī)尺度受限的問(wèn)題。
現(xiàn)在，在某些特定問(wèn)題上，人們已經(jīng)找到了獨(dú)特的量子算法，大幅提高計(jì)算速度，縮短計(jì)算時(shí)間。有了量子計(jì)算機(jī)，量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代就不再遙遠(yuǎn)。
科學(xué)家設(shè)想，量子互聯(lián)網(wǎng)將以量子計(jì)算機(jī)作為節(jié)點(diǎn)，通過(guò)量子信道進(jìn)行連接。量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息大部分是由量子態(tài)表示的中間態(tài)或計(jì)算結(jié)果，全量子通信因此得以實(shí)現(xiàn)。
就目前來(lái)說(shuō)，這種偉大設(shè)想還有很多技術(shù)問(wèn)題有待解決，包括量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中不同物理系統(tǒng)間的量子連通性等。此外，實(shí)用化的量子互聯(lián)網(wǎng)對(duì)通信的時(shí)效性、誤碼率也有一定要求。
解決這些技術(shù)問(wèn)題，科學(xué)家們還有很長(zhǎng)的路要走。
沒(méi)有量子應(yīng)用，人工智能永遠(yuǎn)取代不了人類(lèi)？
今年3月，AlphaGo對(duì)戰(zhàn)世界圍棋冠軍、職業(yè)九段選手李世石，大獲全勝。
在變化多端的圍棋面前，AlphaGo展現(xiàn)出了強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)和類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。人們不禁要問(wèn)，量子計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的計(jì)算能力會(huì)不會(huì)成為人類(lèi)“終結(jié)者”呢？
理論上來(lái)講，這種擔(dān)憂(yōu)不無(wú)道理。
量子計(jì)算機(jī)采用的是量子比特。不同于傳統(tǒng)比特，量子比特不僅可以表示0和1，還可以表示0和1的疊加態(tài)。隨著比特位數(shù)的增加，量子比特表示的信息量隨指數(shù)上升，運(yùn)算和存儲(chǔ)能力會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。
科學(xué)家預(yù)測(cè)，未來(lái)5到10年將能夠?qū)崿F(xiàn)100個(gè)量子比特的相關(guān)操縱。
這是什么概念呢？據(jù)估計(jì)，當(dāng)能夠操縱25個(gè)粒子時(shí)，它在某些特定計(jì)算問(wèn)題的求解速度上和商用CPU相當(dāng)；而能操縱45個(gè)粒子時(shí)，它的計(jì)算能力（可能僅針對(duì)某一類(lèi)特定功能）就和天河二號(hào)難分伯仲。
當(dāng)有100個(gè)量子存儲(chǔ)單元的量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，在人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)里要求解10的24次方，利用目前的天河二號(hào)大概需要100年，但利用這種量子計(jì)算機(jī)就只需要0.01秒。
除了驚人的并行運(yùn)算和存儲(chǔ)能力，量子計(jì)算還在另一個(gè)層面上類(lèi)似于人腦，那就是鬼魅的“糾纏”。那么，對(duì)于人工智能來(lái)說(shuō)，量子糾纏效應(yīng)意味著什么呢？
科學(xué)家舉過(guò)一個(gè)例子。“如果一個(gè)經(jīng)典機(jī)器人前面放著兩盆花，兩盆花跟機(jī)器人的距離是一樣的，我讓機(jī)器人拿一束花獻(xiàn)給我的女友，這兩盆花長(zhǎng)得一樣，跟你的距離也是一樣，即機(jī)器人看到的所有東西完全一樣的情況下，如果沒(méi)有事先預(yù)置程序，機(jī)器人就會(huì)死機(jī)。”
這就是經(jīng)典機(jī)器人和人腦的區(qū)別——機(jī)器人預(yù)置的所有信息都是可以復(fù)制的。但當(dāng)你不知道人類(lèi)的大腦在思考什么時(shí)，人類(lèi)大腦里的信息是復(fù)制不出來(lái)的。“不可測(cè)”保證了人類(lèi)和機(jī)器人的本質(zhì)區(qū)別，人類(lèi)有自由的意志和自由的思想。
但當(dāng)量子計(jì)算機(jī)橫空出世，情況可能會(huì)有質(zhì)的變化。人類(lèi)大腦里面的思維機(jī)制和量子糾纏、量子疊加是十分類(lèi)似的。量子計(jì)算機(jī)天然地帶有類(lèi)似人腦的學(xué)習(xí)屬性，再加上其海量的數(shù)據(jù)處理能力，模仿人類(lèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也許并不是那么遙不可及。
如果像《變形金剛》里提到的，機(jī)器人裝上量子大腦，人工智能取代人類(lèi)也許就不是神話(huà)。
不過(guò)目前看來(lái)，這種擔(dān)心大可不必，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的運(yùn)行對(duì)環(huán)境要求極為苛刻：真空、接近絕對(duì)零度、磁場(chǎng)保護(hù)。地球上的環(huán)境還不允許“量子機(jī)器人”橫行街市。
“乾坤大挪移”是真是幻？
電影《星際迷航》系列的導(dǎo)演強(qiáng)調(diào)過(guò)一種光波傳送器，它可以獲取并移動(dòng)人體。借由這種神奇的裝置，人們可以瞬間轉(zhuǎn)移旅行。
這種科幻想象是否有望成真？量子通信技術(shù)是一線(xiàn)曙光嗎？量子隱形傳態(tài)最終能否用于傳送宏觀(guān)的實(shí)際物質(zhì)或能量呢？
答案可能要讓科幻迷們失望了——量子隱形傳態(tài)傳送的是“態(tài)”，而非實(shí)物。
當(dāng)然，科幻迷們可以大膽展開(kāi)想象。比如，在甲乙兩地進(jìn)行糾纏，在甲地對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)揭业�，乙地根�?jù)結(jié)果用糾纏粒子重構(gòu)物體。也就是說(shuō)，乙地得到的是原有物體所有態(tài)的復(fù)制品。
那么，這一終極夢(mèng)想可否通過(guò)量子通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)呢？只怕不那么樂(lè)觀(guān)。
首先，實(shí)物隱形傳態(tài)要求發(fā)送方測(cè)量并傳送該實(shí)物的所有信息，傳送宏觀(guān)實(shí)物所需的糾纏數(shù)量將非常巨大！一個(gè)人原子數(shù)量的數(shù)量級(jí)在1027~1028以上，理論上說(shuō)，至少同數(shù)量級(jí)的糾纏粒子才能實(shí)現(xiàn)人體原子部分的傳送。這么大量級(jí)的糾纏粒子制備是不可接受的。
其次，真正的量子物理體系擁有多種自由度。即使是一個(gè)最簡(jiǎn)單的基本粒子，如單光子，它的性質(zhì)也包括波長(zhǎng)、動(dòng)量、自旋和軌道角動(dòng)量等。更何況實(shí)物傳送還要求傳送組成實(shí)物的基本粒子的所有信息，這就不僅包含單個(gè)粒子的內(nèi)稟屬性，還包括粒子間相互作用的信息。因此，發(fā)送方的量子測(cè)量過(guò)程也必須同時(shí)在多個(gè)自由度上實(shí)現(xiàn)，這也是實(shí)物隱形傳態(tài)研究者將要面臨的一大難題（潘建偉及其同事陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)等去年在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)，該成果以封面標(biāo)題的形式發(fā)表于《自然》雜志）。
最后，如果待傳送的實(shí)物是一個(gè)生命體，那就更蹊蹺了。傳輸需要短暫的時(shí)間，待傳送的宏觀(guān)實(shí)物如果是一只貓，那么一旦中斷則會(huì)完全失敗，即傳輸物質(zhì)不可儲(chǔ)存。那么在傳輸?shù)揭话氲呢垥r(shí)會(huì)是什么狀態(tài)呢？即使傳送成功，接受端得到的復(fù)制品是否能和之前的貓具有一樣的記憶和意識(shí)呢？
看來(lái)，隱形傳態(tài)傳送實(shí)物的前景并不樂(lè)觀(guān)，你我有生之年，《星際迷航》中那神奇的傳送門(mén)可能都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
但無(wú)論如何，過(guò)去100年間，量子力學(xué)理論如同一片奇幻森林，時(shí)而曲徑通幽，云山霧罩；時(shí)而峰回路轉(zhuǎn)，恣意汪洋。同時(shí)，它幾乎深入自然科學(xué)和技術(shù)的每個(gè)角落，給人類(lèi)帶來(lái)了如此之多的重要發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。
量子物理深入凝聚態(tài)理論，半導(dǎo)體和微電子技術(shù)才成為可能；晶格衍射知識(shí)為人們掌握，顯微鏡下的分子生物學(xué)世界才展現(xiàn)在人們面前；高能粒子相互作用是量子物理的舞臺(tái)，為了研究這類(lèi)相互作用，人們建設(shè)了歐洲核子研究中心，順便開(kāi)發(fā)出了我們?nèi)缃穸荚谑褂玫木W(wǎng)頁(yè)瀏覽器……
可以說(shuō)，量子物理理論和技術(shù)的發(fā)展，在能源、信息技術(shù)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域都引發(fā)了革命性的影響。
如今，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射和運(yùn)行將標(biāo)志著廣域量子通信研究邁進(jìn)了基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的“星地時(shí)代”。
那么未來(lái)呢？我們完全有理由相信，在未來(lái)的100年間量子通信和其他量子分支還會(huì)給我們帶來(lái)更多激動(dòng)人心的驚喜。
也許，正如著名物理學(xué)家玻爾所說(shuō)：“人們很難做出預(yù)測(cè)——尤其是未來(lái)（It is very difficult to predict—— especially the future）。”
量子理論遠(yuǎn)未走到盡頭，它自誕生以來(lái)，就擔(dān)負(fù)了太多疑惑、榮耀和人類(lèi)最深邃的想象，也注定要繼續(xù)影響整個(gè)人類(lèi)社會(huì)的未來(lái)�！�
（作者系中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系博士）