猫如何既是死的又是活的 中国量子通信书写传奇

大力建设安全通信干线，计划发射新的通信卫星

中国的“量子通信”写下传奇

本报记者彭训文

《人民日报海外版》(2016年1月22日，07版)

宇宙中被认为与量子纠缠密切相关的虫洞的想象图。

潘剑伟(中)和他的研究团队

恒星和地球之间量子通信示意图

在2015年全国科技奖励大会上，由中国科技大学“70后”院士和“80后”教授组成的“青年团队”尤其引人注目。在中国科学院潘剑伟院士的带领下，他们获得了“多光子纠缠与干涉测量”国家自然科学奖一等奖。他们研究的光子是一种量子。

量子是最小的能量单位，所有微观粒子如分子、原子、电子、光子等。是量子的表现。我们看到的光是由数万亿光量子组成的。研究量子有什么用？有许多用途，例如:利用量子纠缠，我们的通信将是绝对安全的，而且像“棱镜门”这样的泄漏将永远不会再发生。如果制造出一台含有100个纠缠粒子的量子计算机，它的计算速度将比目前最快的超级计算机天河二号快100亿倍。更令人惊奇的是，量子隐形传态的使用只需要一段“嗖嗖”的时间，人类就可以在未来往返于世界各地，甚至星际旅行。

事实上，中国的量子通信技术已经达到世界最高水平，领先欧美国家。今年，世界上第一条量子通信安全干线——京沪干线将开通。与此同时，由中国科学家自主研发的世界首颗“量子科学实验卫星”即将发射。潘建伟在接受采访时说，中国正在利用这两大项目建设一个全球集成量子通信网络的原型。最终目标是建立覆盖全国乃至全世界的广域量子保密通信网络。

猫怎么会既死又活？

为了阐明量子通信的宏伟蓝图，我们必须从量子力学开始。这是物理学的一个分支，与牛顿力学等经典力学有很大不同，被誉为迄今为止描述微观世界最精确的理论。

什么是量子？普遍的解释是将物理量，如能量，分成无法进一步分割的小块。这一小块是量子的。例如，氢原子中的电子能量只能取一个基本值——13.6电子伏特或1/4、1/9、1/16、1/25等。，但不是2倍或1/2，1/3。这就像向上走一步，只有一步，而不是一半。

量子力学和经典力学的根本区别在于确定性问题。与我们认为事物有明确位置的常识相反，量子力学中粒子的状态是不确定的，是客观真实的状态。这个国家有两个基本原则。

一个是量子态的叠加原理。根据量子力学理论，在物质的微观尺度上，两种完全相反的状态共存。如何证明这个原则？奥地利物理学家薛定谔在1935年提出的“薛定谔猫”悖论提供了一个想法。

薛定谔猫悖论假设一只猫被锁在一个装有少量镭和氰化物的封闭容器中。镭有可能会衰变。如果镭衰变，它将触发当局打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死亡。如果镭不衰变，猫会活下来。根据量子力学理论，由于放射性镭是衰变和非衰变的叠加，猫应该是死猫和活猫的叠加。

这只死猫和活猫是量子物理学中著名的薛定谔猫。如果将量子叠加原理应用于多个量子，会发生什么？这是量子力学的另一个基本原理——爱因斯坦的量子纠缠，被称为“长距离的奇怪相互作用”。就像双胞胎的心灵感应一样，不管两个骰子相距多远，结果总是一样的(当然，爱因斯坦坚持认为“上帝不能掷骰子”)。

让我们用薛定谔猫来解释:整个状态现在处于镭是否衰变和猫是死是活的叠加状态，用一个等式来表示:整个状态=镭衰变和猫是死(A)+镭不衰变和猫是活的(b)。当你打开容器的盖子，看看猫是不是死了，整个状态就确定了，不是A就是B，而另一个状态就消失了。这是量子的纠缠态。在量子世界中，无论处于纠缠态的两个粒子相距多远，如果它们作用在一个粒子上，另一个粒子就会立即发生相应的变化，而这种变化不受时间和空间的限制，而是一种瞬间的变化。

永远无法破译的通信

我们能用这样神秘的量子叠加原理和量子纠缠做什么？潘剑伟团队研究得很好的一个应用是量子安全通信。

现在人们认为最安全的信息传输方式是光纤通信。光缆可以将所有的光能限制在光纤中，而且在外面没有能量，所以这种传输被认为是安全的。然而，随着科学技术的发展，我们只能通过允许光缆泄漏哪怕是少量的能量来窃听光缆传输的信号。潘剑伟解释说，这是因为经典通信的信号只有0和1。当窃听发生时，这两个信号不会被干扰。例如，当两个人打电话时，其他人可以窃听通信线路上数千万个电子中的一些，允许他们进入另一条线路，从而实现窃听而不被呼叫者注意到。

量子通信根本没有这个问题。除了量子信号的叠加态，如0，1，0+1，0-1，还考虑了由这种叠加态产生的量子的非克隆原理。根据量子力学理论，不可能精确复制任何未知的量子态。换句话说，一旦量子信号被窃听，量子叠加态将被扰乱，并可能“崩溃”到另一个量子态。这样，通信双方都可以立即检测到。

这种方法有多安全？中国科学院量子信息与量子科学技术卓越中心成员、中国科学技术大学上海研究院副研究员张文卓说:“只要因果关系成立，只要信息传输不超过光速，时间不倒转，比如说，如果我们不能回到过去，这种通信模式就是无条件安全的。”

当然，量子应用有更大的前景。第一个应用是计算机计算能力的飞跃。目前，计算机的运算单位比特只有两种状态:0和1，但量子计算机可以是0和1的叠加。如果被操纵的量子数量增加，它将指数级增加，从而提高计算机的计算速度。例如，如果操纵25个量子，计算机的能力可以达到现有四核计算机的水平。如果你操作50个量子，世界上最快的计算机天河二号将无法跟上它的计算能力。如果操纵100个量子，它的计算能力可能比天河二号快几十亿倍。

如此快的计算速度将极大地改变我们的日常生活。例如，在公共安全领域，量子计算可以即时处理监控数据库中60亿人的面部图像，并实时识别一个人的身份。在公共交通领域，量子计算可以快速分析和预测复杂的交通状况，从而调度综合交通系统，最大限度地避免道路拥堵。在天气预报方面，量子计算可以将仪器探测数据与模型结合起来进行综合预报和分析，从而实现更准确的天气预报...

中国量子通信迈向世界网络化

目前，量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化和实用化，并朝着高速、长距离和网络化的方向快速发展。然而，为了在实际中应用量子通信，主要的困难是在长距离传输中会有信号丢失。在这方面，当今世界上相对公认的路线图是利用光纤在城市中建立网络，然后通过中继将城市连接起来，最后通过卫星中继实现长距离量子通信。

20多年来，潘剑伟等中国科学家开始陆续开发量子通信网络终端设备、微光探测核心设备、网络控制设备等产品，并从数十公里的光纤量子密钥分发转向*空间纠缠光子分发。从单光子的精确操控到四光子(2003)、五光子(2004)、六光子(2007)和八光子纠缠(2012)的实现...英国杂志《自然》感叹道，“这标志着中国在量子通信领域的崛起，从十年前的一个卑微的国家发展到现在的世界强国，领先于欧洲和北美。”正是基于这些技术的积累，国家发改委于2013年批准了中国量子保密通信“京沪干线”项目。根据计划，北京、上海、合肥和济南将分别建设城域量子通信网络。一旦城际线路连接起来，就可以实现北京和上海之间总长2025公里的量子保密通信，以及四个城市之间8GB的网络。

46个合肥示范网络和90多个济南节点已成功建成并开始测试。北京和上海的量子通信网络将在今年夏天之前建成，整个“北京-上海干线”将于今年开通。专家预测，覆盖全国的量子通信网络也有望在2025年至2030年间建成。另一方面，中国的第一颗量子科学实验卫星也将于今年发射，以实现高速的星地量子通信，并与地面大都市量子通信网络连接。

中国科学院上海分院副院长、量子科学实验卫星工程副总工程师王建宇表示，该卫星旨在进行卫星与地面之间绝对安全的高速量子密钥分配实验，通过高精度的捕获和跟踪系统建立超长距离量子信道，并在此基础上展示广域量子通信网络。这将是世界上第一次星间量子通信实验。如果实验成功，中国有望在未来发射多颗量子通信卫星，逐步建立覆盖全球的量子通信网络。

可以预期，在不久的将来，我们将能够以密集和完全随机的方式享受量子通信带来的巨大红利。去年10月，阿里云和中国科学院的子公司国盾量子联合发布了量子加密通信产品。这是世界上第一家为量子安全传输产品提供着陆服务的云服务提供商。

阿里巴巴集团(Alibaba Group)首席技术官王建表示:“我们过去在科技发展方面一直处于追赶地位，向世界寻求答案，但这一次我们有机会给世界一个提问的机会。”

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世界主要国家和地区的量子通信策略

欧盟于2008年发布了《量子信息处理与通信战略报告》，提出了欧洲量子通信的分阶段发展目标，包括实现陆地量子通信网络、卫星-陆地量子通信和空地一千公里量子通信网络。2008年9月，欧洲联盟发布了一份关于量子密码的商业白皮书，启动了关于量子通信技术标准化的研究，并与来自12个欧洲联盟国家的41个伙伴团体共同建立了“基于量子密码的安全通信”项目。同年，该项目展示了基于维也纳商业网络的六节点量子通信网络。与此同时，欧空局正在与欧洲、美国、澳大利亚和日本的科学家合作进行空间量子实验。

美国国防部支持的“高级研究和开发活动”计划致力于将量子通信应用扩展到卫星通信、城域网和长距离光纤网络。国防部高级研究计划和洛斯阿拉莫斯国家实验室于2009年分别建立了两个多节点量子通信互联网络，并与空军合作开展基于飞机平台的*空间量子通信研究。数据显示，美国宇航局计划在总部和喷气推进实验室之间建造一条长距离光纤量子通信干线，包括10个主干节点，直线距离为600公里，光纤护套长度约为1000公里，并计划扩展到星地量子通信。

日本目前每年投资2亿美元，并计划在5至10年内建立一个全国性的高速量子通信网络。*家情报和通信研究机构也启动了一项长期支持计划。*家信息与通信研究所计划在2020年实现量子中继，并在2040年建成一个容量有限、无条件安全的广域光纤和*空间量子通信网络。2010年，一个6节点大都市量子通信网络“东京QKD网络”在日本东京建成，展示了整个网络的视频呼叫和网络监控。

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