邱元陽

今年8月，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”在我國成功發(fā)射，標(biāo)志著量子保密通信技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。

然而，新聞報道透露的少量信息，還不足以使人們了解量子通信，并且質(zhì)疑的慣性也使人們對這一技術(shù)的實(shí)際狀態(tài)產(chǎn)生了懷疑。

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本個體，因此可以說所有物質(zhì)都是由量子組成的。量子具有非常奇妙的特性：量子疊加和量子糾纏。量子疊加原理使得量子的測量會被感知，是量子保密通信的基本邏輯。光量子通信主要基于量子糾纏理論，使用量子隱形傳態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)信息傳遞，這是實(shí)現(xiàn)量子高速通信的基本邏輯。

一個量子可以有多個可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測或測量時，才會隨機(jī)地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，但是對量子的測量又會改變被測量量子的狀態(tài)。利用量子疊加原理，就可以實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)，一旦有人試圖截獲或測試量子密鑰，就會改變量子狀態(tài)，發(fā)送方可以銷毀密鑰重新分發(fā)。量子不可克隆和不可分割的特性也保證了量子密鑰無法復(fù)制，實(shí)現(xiàn)了量子保密通信。

這種通信真的是無條件的絕對安全嗎？目前還沒有絕對安全的通信，不管多么保密的技術(shù)，最后都可能在人的身上功虧一簣，這是永遠(yuǎn)的安全悖論。

兩個量子的相互作用，還可以產(chǎn)生一種糾纏態(tài)，處于糾纏態(tài)的一對量子，不管距離多么遙遠(yuǎn)，只要其中一個量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個量子也會發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化，這就是量子糾纏。根據(jù)這個原理，只要觀測到一個量子的狀態(tài)，那么就能得到另一個遠(yuǎn)距離量子的狀態(tài)。也就是說，由這種狀態(tài)變化就能實(shí)現(xiàn)瞬間通信，這就是量子的隱形傳態(tài)。

量子隱形傳態(tài)將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)而不用傳送粒子本身，因此在量子通信的宣傳中，得到這樣一個結(jié)論：量子通信的速度可以超越光速。

量子理論中，光的速度是極限速度，無法突破。但是量子糾纏理論在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下是經(jīng)過驗(yàn)證的，難道真的可以突破光速嗎？這只有在更遠(yuǎn)的距離下才能驗(yàn)證。當(dāng)距離和速度接近于光速的量級時，能夠確保沒有各種抑制作用的產(chǎn)生嗎？別忘了經(jīng)典力學(xué)中的速度疊加在高速時就已經(jīng)不再成立，量子級別的狀態(tài)我們還遠(yuǎn)沒有探索完成。如果我們制作一個遠(yuǎn)距離的理想剛性框架，在其中一端轉(zhuǎn)動時，另一端也會瞬間改變狀態(tài)，理論上，這種信息傳輸速度也將超過光速。然而實(shí)際上，當(dāng)扭矩過大時，狀態(tài)的變化一定會滯后，這也可以類比到量子糾纏上。要將處于糾纏態(tài)的一對量子分置于非常遙遠(yuǎn)的距離并保持量子糾纏狀態(tài)并非易事，隱形傳態(tài)的實(shí)際速度會不會超越光速，也許會在墨子號實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上得到一些數(shù)據(jù)。

此外，信息的傳輸速度和信息介質(zhì)的傳輸速度似乎也要區(qū)別對待。信息不是物質(zhì)，它的傳輸速度是否超越光速，都不會打破光速的極限理論。但是隱形傳態(tài)卻引出了另一個信息哲學(xué)問題：信息傳輸一定需要載體和介質(zhì)嗎？

用光纖構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)本身也是一個技術(shù)悖論。無論光纖是用于傳輸和分離光量子還是用來分發(fā)量子密鑰，都不是最好的選擇。從量子通信到量子計算機(jī)的跨越也更像一個神話。盡管如此，我們還是期待，神話和夢想能夠照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，智慧的技術(shù)能夠突破理論距離現(xiàn)實(shí)的最后一毫米。