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“瞬间移动”“信息绝密”真的能实现吗?——六个问与答带你了解神奇的量子世界

2016-08-16 09:16  来源: 新华社

还记得这样的场景吗?电影中,主人公走入一扇“任意门”,瞬间就穿越来到另一个空间……

在量子世界里,这或许不是幻想。就在今天凌晨,我国发射了全球首颗量子科学实验卫星。新华社记者采访了量子卫星首席科学家潘建伟院士、中科院物理所研究员吕力、北京大学物理系教授刘雄军,带你一起走进神奇的量子世界。

 

问:量子究竟是什么?

答:量子是构成物质的基本单元,是能量的最基本携带者,不可再分割。比如,光子是光能量的最小单元,不存在“半个光子”,同理,也不存在“半个氢原子”“半个水分子”等等。量子世界中有两个基本原理:

——量子叠加,就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。

——量子纠缠,类似孙悟空和他的分身,二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态,不论分离多远,对其中一个粒子的量子态做任何改变,另一个会立刻感受到,并做相应改变。

 

问:世界上真有“绝对安全”的通信吗?

答:这得先说说通信中信息是如何被窃取的。传统光通信是通过光的强弱变化传输信息。从中分出一丁点光并不影响其他光继续传输信息,测量这一丁点光原理上就能窃取信息。

量子通信则完全不同!窃听者如果想拦截量子信号,并对其进行测量,将不可避免地破坏携带密钥信息的量子态。根据量子“测不准定理”,这种破坏必然会被信息发送者和接收者所发现。

是否可以不破坏传输的量子态,只截取并复制,再继续发送?这已被“量子不可克隆定理”完全排除,于是也就保证了量子通信的绝对安全。

 

问:“量子态隐形传输”意味着能实现《星际迷航》里的瞬间移动吗?

答:“量子态隐形传输”是基于量子叠加和量子纠缠的特性,就是甲地某一粒子的未知量子态,可以在乙地的另一粒子上还原出来。其实传输的是粒子的量子态,而不是粒子本身。这种状态传送的速度上限仍然是光速,也不是“瞬间移动”。

现在,在光子、原子等层面已经实现了量子态隐形传输。电影里“大变活人”在原理上是允许的,但目前还远远做不到。因为科幻电影里人的传送,不仅需要把人的实体部分的大量原子、分子传送,并且严格按照原来的相对位置重新排列起来,更何况重现意识和记忆就更复杂了。

不过,随着科学的发展和技术的进步,也许未来我们还是可以实现人的量子隐形传态,到那时星际旅行就不是梦啦。

 

问:将来机器会不会像《变形金刚》里一样被装上量子大脑,从而取代人类?

答:所谓量子大脑,其实就是当今正在研制中的量子计算机。未来的量子计算机可能会对人工智能起到极大的帮助,在数据搜索、分析和处理方面提供远远超过目前经典计算机的运算能力。

机器人都是预先设置好程序的,而人是有意识和自由意志的。研究发现,人脑中的思维机制与量子叠加、量子纠缠或许存在相似之处。所以也有学者认为,未来可望创造出与人脑一样运行的人工智能机器人。真到这种程度,机器与生物之间的界限已经非常模糊。这目前还只是一种畅想,未来究竟怎样还得拭目以待。

 

问:量子技术什么时候才能“飞入寻常百姓家”?

答:量子通信目前已经实现在金融、政务系统等中的使用。要让每个人都用上,乐观的话需要10到15年。这需要对网络基础设施进行改造,还涉及到标准制定。到时候,个人的网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号,“棱镜门”那样的泄密事件也不会发生了。

而量子计算目前仍然处于基础研究的阶段,前进道路上还面临着巨大的挑战,不知道在二、三十年的时间内能否实现初步应用。一旦取得进展,其意义将是极其重大的。

 

问:量子科学和技术究竟将带来一个怎样的未来?

答:量子科学和技术其实已经在方方面面影响着我们的日常生活。我们目前正在广为使用的计算机、手机、互联网、时间标准和导航,包括医院里的磁共振成像等等,无一不得益于量子科学和技术。

用发展的眼光看,随着微纳加工、超冷原子量子调控等技术的不断进步,人类将能够制备出越来越复杂、功能越来越强大的各种人造量子系统,例如包括量子计算机芯片在内的各种量子电路,其功能和信息处理能力将远远超过我们目前正在使用的经典芯片,并且更加节能;再如可望制备出达到量子极限的能量收集和转换器件,将引发能源变革;也有望大幅提升对时间、位置、重力等物理量超高精度的测量,不仅实现超高精度的潜艇定位、医学检测等,也将加深对物理学基本原理的认识。

总之,量子科学和技术的广泛应用最终将把人类社会带入到量子时代,实现更高的工作效率、更安全的数据通信,以及更方便和更绿色的生活方式。

 

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作者: 荣启涵、吴晶晶、白国龙   [责任编辑: 汪海伦]