摘? 要：量子糾纏描述了兩個(gè)或多個(gè)互相糾纏的粒子之間的一種“神秘”的關(guān)聯(lián)，即使各自相互距離很遙遠(yuǎn)，之間也沒(méi)有任何介質(zhì)，但是其中一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)。文章介紹了量子糾纏的內(nèi)涵，結(jié)合當(dāng)前的科技發(fā)展現(xiàn)狀，分析了其在能量回收、信息加密、通信、計(jì)算以及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并就其未來(lái)發(fā)展可能帶來(lái)的影響進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：量子糾纏;量子技術(shù);信息加密

Abstract：Quantum entanglement describes a “mysterious” relationship between two or more entangled particles. Even if they are far apart from each other，there is no medium between them，but the behavior of one particle will affect the state of the other. In this paper，the connotation of quantum entanglement is introduced，and its application prospects in energy recovery，information encryption，communication，computing and military fields are analyzed，and the possible impact of its future development is discussed.

Keywords：quantum entanglement;quantum technology;information encryption

0? 引? 言

在量子力學(xué)領(lǐng)域，當(dāng)幾個(gè)粒子在彼此相互作用后，由于各個(gè)粒子所擁有的特性已經(jīng)綜合成為整體性質(zhì)，無(wú)法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)，則稱這種現(xiàn)象為量子糾纏。例如，對(duì)于兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的粒子，當(dāng)測(cè)量其中一個(gè)粒子時(shí)，另一個(gè)粒子即便在遠(yuǎn)處的任意位置也會(huì)同時(shí)做出相應(yīng)的變化，它們彼此之間沒(méi)有任何信息傳遞，但確實(shí)又存在著超越空間的相互作用[1]。這種兩個(gè)或以上的粒子相互作用的現(xiàn)象被愛(ài)因斯坦稱為“幽靈”。隨著量子理論的發(fā)展，量子糾纏已經(jīng)被科學(xué)界廣泛認(rèn)可，合理利用該現(xiàn)象也會(huì)在諸多方面影響我們的生活。

1? 量子糾纏的現(xiàn)象

量子糾纏描述了兩個(gè)或多個(gè)互相糾纏的粒子之間的一種“神秘”的關(guān)聯(lián)，即使各自相隔距離很遙遠(yuǎn)，之間也沒(méi)有任何介質(zhì)，但是其中一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)，假設(shè)其中的一個(gè)粒子被操作而自身的狀態(tài)發(fā)生了變化，其中的另外一個(gè)粒子也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。例如，先讓粒子A和粒子B發(fā)生“糾纏”，然后將兩個(gè)粒子一個(gè)送到月球，一個(gè)送到火星，當(dāng)月球上的粒子沿著順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，火星上的粒子會(huì)沿著逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);相反，如果月球上的粒子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，那么火星上的粒子會(huì)相應(yīng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。但是在測(cè)量之前，任一粒子的旋轉(zhuǎn)方向都是不確定的，只有測(cè)量這個(gè)動(dòng)作發(fā)生了，才能確定某一粒子的旋向，而當(dāng)這個(gè)粒子的旋轉(zhuǎn)方向確定以后，另一個(gè)相互糾纏過(guò)的粒子的旋向也就一定了。

2? 量子糾纏的發(fā)展現(xiàn)狀

盡管量子糾纏仍然非常神秘，但是目前為止科學(xué)家們對(duì)它也有了一些了解，物理學(xué)家已經(jīng)展示了量子糾纏是如何在相隔不同距離的條件下工作的。其中，由潘建偉研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)同時(shí)操縱6個(gè)光子的自由路徑、極化和軌道角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)了18量子位的量子糾纏，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星地球之間千公里級(jí)的量子糾纏和密鑰分發(fā)及隱形傳態(tài)。當(dāng)我國(guó)發(fā)射的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星墨子號(hào)過(guò)境的時(shí)候，其同時(shí)與麗江高美古站和德令哈站建立了光鏈路，衛(wèi)星上糾纏載荷每秒產(chǎn)生近1000萬(wàn)糾纏對(duì)，而光鏈路以每秒一對(duì)的速度在地面超過(guò)1200公里的兩個(gè)地面站中建立量子糾纏，這一成就將使得未來(lái)量子通信在未來(lái)更加實(shí)用和可靠[2]。

3? 量子糾纏的應(yīng)用前景分析

3.1? 在能量回收領(lǐng)域的應(yīng)用

美國(guó)亞利桑那大學(xué)的研究人員借助量子力學(xué)中的量子干涉原理研制了一種新型材料，該材料能夠有效地將熱能轉(zhuǎn)化為電能。該材料的特點(diǎn)是非常薄，其厚度只有百萬(wàn)分之一英尺，應(yīng)用比較方便，所需空間較小。主持該項(xiàng)任務(wù)的研究團(tuán)隊(duì)表示，如果用這種極其薄的新型功能材料將汽車的整個(gè)排氣系統(tǒng)全部包裹起來(lái)，利用排氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)化得到的電能將足以點(diǎn)亮200支100W的燈泡。根據(jù)此實(shí)驗(yàn)，我們有理由憧憬，未來(lái)能夠?qū)p失的熱能有效利用，從而大幅度減少能量的損失，提升能量轉(zhuǎn)換利用率。如果將熱能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，能夠提升各類用電設(shè)備的工作時(shí)間和穩(wěn)定性，大幅降低在電源如何有效儲(chǔ)能這一方面的研究投入。同時(shí)如若減小能量損耗，可以有效降低資源的開(kāi)發(fā)使用率，減小對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)地球的過(guò)度開(kāi)發(fā)，為可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)條件，為人類文明在地球上的延續(xù)提供環(huán)境保證。

3.2? 在信息加密領(lǐng)域的應(yīng)用

信息的加密與解密在軍事、商業(yè)等各方面自古以來(lái)都是一組相互促進(jìn)、共同發(fā)展的共生技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)當(dāng)時(shí)科技條件的支持，同時(shí)也是當(dāng)時(shí)科技條件的一種反應(yīng)。但是無(wú)論加密方式多復(fù)雜，只要知道其中基本的規(guī)律，通過(guò)反規(guī)律而行之一般仍然能夠破解加密信息。然而通過(guò)在信息傳播過(guò)程中進(jìn)行“量子加密”，就能夠?qū)⑿畔⒈Ｗo(hù)視為“絕對(duì)安全”的級(jí)別。之所以安全，是因?yàn)榧偃缬腥岁J入信號(hào)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，光子束會(huì)發(fā)生嚴(yán)重紊亂，導(dǎo)致信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)的探測(cè)器增加錯(cuò)誤等級(jí)，相當(dāng)于發(fā)出了受到襲擊的警告信息，這時(shí)發(fā)送端和接收端雙方都會(huì)隨機(jī)選擇若干鍵值的子集進(jìn)行匹配，只有全部匹配才認(rèn)為沒(méi)有竊聽(tīng)，倘若有一點(diǎn)不匹配則認(rèn)為信號(hào)被竊聽(tīng)。實(shí)際上，只要有闖入者進(jìn)行嘗試解碼，這一舉動(dòng)便會(huì)導(dǎo)致量子密碼系統(tǒng)改變自身的狀態(tài)。因此只要發(fā)生竊聽(tīng)行為，都會(huì)被檢查者發(fā)現(xiàn)，從而終止機(jī)密信息的傳輸或更換新密鑰，進(jìn)而保護(hù)各類機(jī)密信息。

3.3? 在通信領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)前的各類通信主要是通過(guò)電磁波或光纖的方式進(jìn)行傳輸，由于傳輸距離基本未超出過(guò)太陽(yáng)系，所以通信速度能夠基本實(shí)現(xiàn)全球“同步”直播。但確切地來(lái)講，任何類型的資料通過(guò)當(dāng)前的信息傳輸介質(zhì)傳播，都需要一些時(shí)間才能到達(dá)最終的接收方，只是用時(shí)較短導(dǎo)致人類的感官難以察覺(jué)分辨而已，距離真正的“即時(shí)通信”還存在技術(shù)手段上的硬傷。然而，量子糾纏現(xiàn)象為即時(shí)通信提供了可能性。也保持著特別的關(guān)聯(lián)性，對(duì)一個(gè)粒子的操作會(huì)影響到另一個(gè)粒子。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子，即使距離再遙遠(yuǎn)，當(dāng)其中一個(gè)粒子被測(cè)量或者被觀測(cè)到時(shí)它的狀態(tài)會(huì)被確定，而此時(shí)與之糾纏的另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)隨之發(fā)生即時(shí)的改變。因此，利用這一現(xiàn)象，我們可以通過(guò)操縱其中一個(gè)粒子的方式引起相互存在糾纏關(guān)系的其他粒子的狀態(tài)發(fā)生“即時(shí)”變化，從而完成在距離任意遙遠(yuǎn)的兩點(diǎn)之間的信息傳送。例如，隨著未來(lái)人類可利用宇宙空間的不斷延伸，可能會(huì)出現(xiàn)人類之間或人類與其他物種之間橫跨星系的交流，這種交流如果通過(guò)傳統(tǒng)的通信方式進(jìn)行，可能會(huì)導(dǎo)致延時(shí)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)年。但是通過(guò)量子糾纏進(jìn)行量子通信，則能夠解決星際或宇宙之間任意距離的實(shí)時(shí)通信問(wèn)題。當(dāng)然，這一應(yīng)用也面臨著巨大的技術(shù)難題，目前還處于方案設(shè)想及初級(jí)試驗(yàn)階段。

3.4? 在計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用

量子計(jì)算與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相比，其計(jì)算速度要快得多，基本上是指數(shù)倍的關(guān)系。大致原理為，計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用0和1二進(jìn)制，計(jì)算采取二進(jìn)制的加減乘除算法，之所以比人計(jì)算得快，只是因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)部的位數(shù)較多，以及機(jī)器計(jì)算速度比人要快得多，但是其計(jì)算時(shí)還是采用特別笨的辦法，一步一步按照先后順序來(lái)算，只是速度快了而已。而量子計(jì)算不同，量子的0和1是不確定的，可以同時(shí)認(rèn)為是0也可以認(rèn)為是1，也就是說(shuō)，量子計(jì)算是并行運(yùn)算，沒(méi)有按照先后順序一步一步算，而是同時(shí)計(jì)算很多步。以“走迷宮”為例，對(duì)于復(fù)雜的迷宮，當(dāng)前的計(jì)算機(jī)需要從一個(gè)點(diǎn)出發(fā)，遇到十字路，只能走一個(gè)方向，然后發(fā)現(xiàn)走不通，再返回到這個(gè)十字路口去走向另一個(gè)方向，這樣不斷“試錯(cuò)”，最終找到一條正確的路徑，因此需要一定的時(shí)間;而量子計(jì)算不同，量子可以同時(shí)從一個(gè)點(diǎn)出發(fā)，遇到一個(gè)十字路口，同時(shí)向四個(gè)方向前進(jìn)，再遇到另一個(gè)十字路口，還是同時(shí)向四個(gè)方向前進(jìn)，因此其不是逐個(gè)試錯(cuò)，而是同時(shí)試錯(cuò)，所以速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)呈指數(shù)級(jí)別增加?！叭斯ぶ悄堋弊鳛楫?dāng)前科技領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)，其核心內(nèi)容在于算法，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比學(xué)習(xí)等方式，進(jìn)行分類和特征提取。但是由于當(dāng)前的計(jì)算資源和計(jì)算速度有限，導(dǎo)致計(jì)算速度不夠或計(jì)算容量不夠，使得“人工智能”在某些復(fù)雜的場(chǎng)合和某些對(duì)瞬時(shí)性要求較高的時(shí)候變成了“人工智障”。如果屆時(shí)有量子計(jì)算機(jī)問(wèn)世，同時(shí)開(kāi)發(fā)相配套的量子算法，將會(huì)使得機(jī)械學(xué)習(xí)訓(xùn)練的時(shí)間大幅縮短，人工智能的應(yīng)用場(chǎng)景也將會(huì)更加豐富，在智慧城市、大數(shù)據(jù)分析和金融模型開(kāi)發(fā)等方面都將大有可為。

3.5? 在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

在軍事領(lǐng)域，如有效利用量子糾纏原理，或許會(huì)制造出具備顛覆性打擊功能的量子武器。根據(jù)研究表明，在量子物理學(xué)攻關(guān)、試驗(yàn)成功后，至少可生產(chǎn)如下武器：一是重力波炮。由于在宇宙中缺乏媒介，聲波或沖擊波等波無(wú)法在沒(méi)有介質(zhì)的情況下傳播，因此，傳統(tǒng)的爆炸性武器（甚至包括核武器）在缺乏媒介的情況下，毀傷效果將變差。而重力波則不受這個(gè)限制，重力波的傳播不受傳播介質(zhì)數(shù)量多少的限制，因此在宇宙中仍然有很強(qiáng)的毀傷效果;二是反物質(zhì)武器。根據(jù)量子力學(xué)推論，宇宙中存在由反粒子組成的反物質(zhì)，當(dāng)“正物質(zhì)”與“反物質(zhì)”相遇時(shí)，就會(huì)發(fā)生湮滅效應(yīng)，釋放出巨大的能量?？茖W(xué)家設(shè)想根據(jù)此效應(yīng)制造反物質(zhì)武器，如成功問(wèn)世，毀傷效能將遠(yuǎn)勝于當(dāng)前的氫彈和原子彈;三是人造重力場(chǎng)，其實(shí)就是一個(gè)人造黑洞，任何物質(zhì)只要碰上重力場(chǎng)發(fā)生器，其自身就會(huì)立即被撕碎，瞬間化為烏有。此外還有能夠抵抗幾乎所有物理攻擊的防護(hù)性武器——量子防護(hù)罩[3]。

4? 結(jié)? 論

量子技術(shù)的發(fā)展是未來(lái)科技的一個(gè)大方向，很有發(fā)展前景，但是其未知性和破壞性也足以令我們提高警惕，如何合理利用量子技術(shù)為人類造福，將是以后要進(jìn)一步深入研究的重大課題[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉明勇，張永生，郭光燦.量子糾纏和量子操作 [J].中國(guó)科學(xué)（G輯：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)），2007（6）：716-722.

[2] 潘建偉，姜俊芳.世界首顆量子衛(wèi)星——開(kāi)啟量子通信新時(shí)代 [J].中國(guó)科技獎(jiǎng)勵(lì)，2016（8）：76-77.

[3] 張皓泊.量子通信與量子計(jì)算 [J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2018（20）：78-79.

[4] 孫立華.威力超群的量子武器 [J].百科知識(shí)，2016（15）：32-33.

作者簡(jiǎn)介：徐成（1987.12-），男，漢族，甘肅白銀人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)電一體化、通信工程、軍事職業(yè)教育等。