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潘建伟新量子革命:量子物理基础检验到量子信
日期:2018-09-03 14:54  

  来源:科学大院

  大家都知道,不算从前的那些发明,从严格意义上讲,人类历史上有两次科学革命。

  第一次革命以经典力学为代表,在伽利略和很多科学家的基础之上,牛顿作了一个总结:所有的力学现象都可以统一为一个简单的公式:

  

  在这两个简单公式之下,所有的力学现象,如飞机飞行、星星在动、东西会掉下来等等,都可以由这个理论来解释。随后在法拉第等很多科学家的努力之下,麦克斯维尔建立了电磁场动力学理论:所有的光、电、磁的现象都可以统一为麦克斯维尔方程组。有这些概念上的突破之后,很快就带来了人类历史上的两次产业变革(工业革命)。

  

  牛顿

  麦克斯维尔

  首先是以蒸汽机为代表的第一次产业变革,这使英国在18世纪末成为了世界的头号强国。随后迎来了以电力技术为基础的第二次产业变革,使得德国在19世纪中期、美国在20世纪也变成了工业强国。从这个意义上讲,可以说基础研究的突破,通常会带来技术和产业方面的突破。

  量子力学:全新的观念

  大家对经典理论非常满意的同时,也发现经典物理学其实有一个困境。牛顿力学告诉我们,一旦事先物体初始状态是确定的话,则根据力学方程,所有粒子未来的运动状态都是可以精确预言的!

  

  按照这个思路,如果再往下思考的话,一切事件(包括今天的会议)都是在宇宙大爆炸时就已经确定好的吗?个人努力的结果也是由物理原理来决定的吗?

  尽管我不太懂霍金的理论,但是我非常喜欢他讲的一句话:即使是相信一切都是上天注定的人,在过马路的时候也会左右看。所以尽管我们对牛顿力学所取得的成就非常满意,但对其中蕴含着的绝对论,我们持有很深的怀疑。

  到了上世纪初,归功于普朗克、爱因斯坦、波尔、薛定谔、海森堡等很多杰出科学家,量子力学和相对论的建立带来了全新的观念。那么是什么改变了牛顿力学的基本观念呢?

  其中一个就是大家都知道的量子,它是构成物质的最基本单元,是能量的最基本携带者。量子实际意味着有一个不可分割的特性:电子不能砍成1/2、1/3的电子,原子也不能砍成1/2的原子,分子、光也这样。

  

  光子 原子 分子

  根据经典物理学,一个客体的状态,就像最简单的二进制开和关,只能够处于开或者关里面某一个,这就可以加载一个比特信息,或者说一只猫它只能够处于死和活的状态其中一个,而不会处于两个状态的叠加。而到量子世界里面,比如一个氢原子的状态,可以处于激发态和基态相干叠加,可以0和1状态同时共存。比如光子极化,水平振动叫做0,竖直振动叫做1的话,光子不仅可以处于水平振动和竖直振动,也可以斜着振动,这就是0+1叠加态,这在生活当中是广泛存在的。

  0+1到底是什么意思呢?这里可以用一个简单的比喻:比如科学院一个代表团从北京到法兰克福去访问,回来时如果经莫斯科比较凉快,走新加坡航线过来比较温暖。如果一个成员在飞机上睡着了,没有看到沿哪个航线过来。那么在微观的世界,问他从哪里过来,到北京之后他会感到一种又冷又热的感觉,会感觉也许我同时从两边过来,这个微观的客体可以处于这么两边。这样的话,我们可以来做一个实验检验一下他到底从哪一条路过来。结果我每当去看粒子从哪边过来的时候,它要么从新加坡过来比较温暖,要么从莫斯科过来比较凉快。所以我们可以确定:我们在测量它从哪条航线过来时,它总是在某一条航线上。

  

  这样一来,我们就有一个困境:我们每天生活当中从来没有发生这种现象,但是在微观世界这种现象经常发生,为什么呢?因为我们坐飞机的时候,有人睡着但周围人可能醒着,大家都睡着了仪器还在观测着在走哪一条航线。但是微观世界某些特定情况下,你不再看它的时候,整个宇宙当中没有任何一台机器,没有任何一个东西可以告诉你他从哪边过来,微观世界就处于相干叠加状态。也就是说,量子客体,不去测量它会处于两种状态的叠加,一旦测量会落到某一种状态,这给我们带来一种革命性的观念:观测者的行为可以影响体系的演化!

  这种革命性的观念,带来了量子力学和相对论的第二次科学革命,必然会催生新的产业变革。现代的信息技术在很大的程度上,都是建立在量子力学的应用基础之上。比如说在核武器的研制过程中催生了计算机,高能物理数据传输需要催生了互联网,GPS系统则来自用量子力学构建的原子钟。第三次产业革命当中日本成为工业强国。信息技术某种意义上由量子科学革命所催生的。

  

  两大瓶颈:信息安全&计算能力

  随着信息技术的发展,信息安全瓶颈成为问题。保证信息安全有三个要素:为了确保被授权的用户,身份不要被别人窃取,可以用加密算法进行身份论证;为了保证传输过程当中信息不被别人窃听可以进行传输加密;为了保证传输内容不被篡改,可以用加密算法进行数字认证。某种意义讲我们的信息安全是建立在加密算法或者加密技术的基础之上。

  

  信息安全,在很早之前就成为我们人类的梦想。春秋时期为了进行身份认证有虎符,虎符对得上才能调兵。古希腊时斯巴达人用加密棒,命令之后只有拥有同样加密棒的人才能把这个信息读出来。到公元前一世纪罗马帝国凯撒大帝又发明一种字符移动加密数,把ABC变成DEF等,但随后被阿拉伯数学家Al-Kindi发现利用字母出现的频率可以破译密码。最后我们设计了越来越复杂的密码。到二战时德国设计了复杂的密码系统,但又被图灵破解。现在有广为使用的公钥体系RSA512,768,1024这些都被破译。2017年2月,谷歌破解广泛用于文件数字证书当中SHA-1算法,也就是说,依赖计算复杂度的经典算法,如果我们的计算能力足够强大的话,原则上都会被破解,有人怀疑“以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码”。这是目前经典加密算法的面临的困境。

  

  图灵破解德军Enigma密码系统

  目前大家都在讨论大数据,人工智能。大数据和人工智能要充分发挥效能,其实对计算能力的需求非常巨大。但目前我们计算能力是非常有限的。全人类目前的计算能力,大概还没有办法在一年里面完成对2的80次方或者90次方数据穷举搜索。提升计算能力一般要靠加强晶体管的集成度,但是传统发展模式因为摩尔定律逐渐逼近极限,我们又遇到了新的瓶颈。比如可能不到十年左右的时间内,晶体管就会达到原子尺寸,这时候“隧穿效应”会占有主导作用。我们很难定义0和1。另外计算机目前的能耗巨大,例如AlphaGo下一盘围棋需要消耗10吨煤的电。

  不过,一些科学家通过量子物理基础检验,已经为解决信息安全和计算能力这些重大问题做好了准备。

  量子物理基础检验

  首先是爱因斯坦。叠加原理认为一个粒子可以处于不确定的状态,也就是说在测量之前,连上帝都不知道。为了说明叠加理论有问题,爱因斯坦提出量子纠缠的概念。一个粒子可以处于0+1,两个粒子可以处于00+11,如果北京和上海之间有两个纠缠的骰子,做实验的时候,每一次实验它们都是精确关联的,不管相距多么遥远。爱因斯坦把这一种现象叫做“遥远地点之间的诡异的互动”。

  

  (gif,不动戳我)

  他对这个问题做了进一步的分析,提出了定域实在论:

  物理量的值是预先确定的,与是否执行测量无关;

  在类空间隔对一个粒子的测量不会对另一个粒子产生影响。

  而量子纠缠概念却告诉我们:

  单个粒子的物理量在测量前并没有确定的值;

  对粒子A的测量不仅会决定自身的状态,也会瞬间决定粒子B的状态,无论相距多么遥远。

  1935年,爱因斯坦提出定域实在论和量子力学非定域性存在矛盾,他怀疑量子力学对物理实在描述不完备。他认为上帝不扔骰子,很多事情是事先确定的。波尔却认为在量子力学里面一个物理量值没有测量之前,就可以处于不确定的状态。但当时这两种观点孰对孰错没有办法得到确认。

  

  1964年Bell提出,可以用实验的方法来确定,假定两个光子纠缠一起,沿着每个地方做一个基矢进行测量,如果爱因斯坦理论是对的,某个微观客体物理原始值事先确定,他们遥远地点之间不会互相影响,这个值会小于等于2。而量子力学算出来最大值2.828左右。70年代,大家开始对Bell不等式进行实验检验。所有的实验都证明量子力学是正确的,但是故事并没有完结,这里面存在两个漏洞。

  第一个漏洞,是自由基矢选择漏洞。随机数产生器可能预先存在某种关联,造成测量基的选择可能不是真正随机的,也并非处于类空间隔。

  第二个漏洞,是局域塌缩漏洞。1935年,薛定谔又提出“薛定谔猫”的概念:如果一只猫装在一个黑匣子里面,里面有一个放射源,他认为按照量子力学,可以认为这一只猫在没有打开箱子之前,它是处于又死又活状态的叠加的,即使是对这样一个宏观的客体。这样一来,在做测量的过程当中,我们的观测者还没有看之前,这个测量结果并没有完成。等到我们去看仪器结果的时候,是最后一刻才完成。这样一来,对两个粒子的测量就不存在类空间隔。

  

  “薛定谔的猫”

  为了解决这个问题,一位专家Leggett提出,完成终极检验要有观测者参与,一方面观测者选择基矢,这时候有随机性;同时保证距离足够远,因为人反应这个时间一般是100毫秒左右,乘以光速的话,这两个纠缠源的分布要达到宏观尺寸才可以进行。

  新量子革命

  量子力学基础检验过程当中,已经有能力把一个个光子挑出来变成0和1或者纠缠起来,进行探测,主动操纵,也就是说对量子力学基础的检验而发展起来的一系列技术催生了量子信息技术,它主要有三个方面的内容:利用光子通讯可以实现原理上无条件安全的通讯方式,利用量子计算可以实现超快的计算能力,利用量子精密测量可以在测量精度方面来超越这个经典极限。

  

  量子通信

  量子计算与模拟

  量子精密测量

  具体来说,我们可以利用一种单光子极化来传输密钥,中间一个窃听者对这个状态看一下,本来是0+1状态变成0或者1,这样会引入噪声。同时量子又不可分割,所以这个窃听者不可能把这个信号分成一模一样两半,窃听必然被发现。把那些没有被窃听过的信息留下来产生密钥,可以保证密钥分发的安全。然后结合一次一密等等实现原理上无条件的安全通信。当然它也可以用来身份认证、数字认证,也就是说,加密技术里面的三要素它都是满足的。

  

  另外一个有趣的概念叫做量子信息状态传输。这个非常类似于科幻故事《星际旅行》,利用纠缠,可以把一个微观客体的状态,从一个地点送到一个非常遥远的地方。送过去含有大量粒子的宏观客体很困难,但是至少已经可以送几个粒子、几十个粒子,几百个粒子原理上也是可行的。相当于网络里面信息走来走去,变成量子计算一个基本的单元。量子计算因为它有并行性,一百个量子比特时它可以达到二的一百次方叠加。所以计算的时候就可以实现并行的计算。比如大数分解和求解线性方程组,在大数据和人工智能方面都非常有用,有它特别的功效性。

  加密算法利用万亿次经典计算机分解三百位大数大约需要15万年,而利用量子计算只要一秒钟。当然量子计算机造出来还需要时间,但对物理学家来说,可以控制几百个粒子系统,已经可以用来有效地求解凝聚态里面的、量子材料、量子化学的一些过程。比如模拟300个两能级粒子的演化需要的经典存储空间约为

  

  但如果可以构设一个普适的量子模拟器,可以非常方便求解方程。这一技术还可以用于量子精密测量,这个状态对各种观测非常的敏感。比如用于水下的导航技术,本来航行一百天定位误差是几十公里,现在一百天误差大概能够达到数百米,都是有可能的。

  

  量子信息学科这些年来已经得到了比较好的肯定。Glauber 教授因为剔除量子光学理论而获得2005年诺贝尔物理学奖,他的这个理论就可以用于光量子通讯。在2013年和2018年,做相关研究的一些杰出物理学家也获得了沃尔夫物理学奖,特别是2018年的沃尔夫物理学奖,相关科学家的获奖的原因主要都引述了这几年中国的工作,里面谈到京沪干线的量子密钥分发系统已经商用化,在光纤的传输中可以达数百公里,在卫星里应用达到千公里量级。另外实验方面,一些物理学家由于在实验技术方面的贡献分别获得了2010的沃尔夫奖和2012年的诺贝尔物理学奖,他们的技术在量子通信和量子计算方面得到了很好的肯定。

  最后我讲讲我们现实当中做什么。

  要在现实条件下实现量子保密通信的安全性,其实不是那么容易。首先有基本假设:信息的发射端和接收端是安全的,器件不会主动泄露信息,还有完美的单光子源和完美的探测器。器件不会主动往外泄漏信息,管理上要加以控制。现实条件下管理可以保证发射端或者接收端里面自主可控器件不往外泄漏信息,但完美单光子资源目前没有。我们通常通过弱相干光,一个脉冲里面可以有两个光子,窃听者可以拿走一个,另外一个放过去,还是没有办法解决这一个问题。与此同时探测器也不完美,窃听者可以控制探测器让探测器只探测他们已经知道的信息。所以发射端和接收端都有漏洞。

  几位华人科学家在这方面做了比较好的工作。比如清华大学王相宾教授和华裔科学家加拿大罗开广教授2007年取得比较好的进展,用诱骗态量子密钥分发解决光源不完美问题。2012年罗开广提出来探测器件不完美也可以解决。他实现了探测器无关的量子密钥分发,这一个距离在前年我们已经扩展到了400公里。这一个过程当中,这两个理论工作之后,现实条件下我们已经实现量子密钥分发信息论可证的安全性,这是最高级别的安全性。还有另外一种我们追求的叫做测量器件无关量子密钥分发,这是基于纠缠的。测量器件无关的量子密钥分发是指哪怕设备不是中国制造,只要测试结果能通过理论检验,安全性也是可行的。当然这是最高级别的,目前大家都在往这一个方向做努力。

  目前基于量子密钥分发的,信息论可证的安全性已经很好建立起来。有一个系统,已经在北京投入永久运行了。在城域网里面这个技术已经很成熟,但量子的信号因为不能被复制不能被测量,所以不能被放大,信号变得越来越弱,所以没有办法长距离使用。比如长度为1200公里的商用光纤中,即使有每秒百亿发射率的理想单光子源和完美的探测器,也需要数百万年才能传送一个量子比特!这样的体系只能够城域网使用,不适于远距离使用。怎么办?

  

  前面提到的Peter Zoller获沃尔夫奖的主要工作就是量子中继,利用量子纠缠交换克服光子损耗,量子纠缠纯化可以克服通道中噪声,量子存储克服资源指数消耗。1998年开始我们努力实现了纠缠交换和纠缠纯化;2016年时实现通过中继可以支持500公里的量子保密通讯需求。尽管我们经过了将近20年努力,要实现实用化的量子中继乐观估计也需要十年左右。当时我们迫于无奈就开始考虑另外一条途径:自由空间量子通信。因为竖直大气只有水平大气五到十公里的等效厚度,这么一来大概80%的光是可以穿破大气层的。为了保险起见,所以2003年的时候,我们在开始量子中继研究的同时,也开展了自由空间量子通信实验,2005年时我们证明光穿越大气层等效厚度之后它的量子态还是可以校准和保持的。

  

  2012年我和王建宇院士合作证明,哪怕高损耗通路中有很大的损耗,也可以实现量子密钥分发。后来又证明在卫星高速飞行的情况下,也能实现很好星地间对接。将近十多年的过程当中,我们发展了很多技术:高精度捕获指向技术,近衍射极限的发散角,高精度的时间同步,高灵敏的能量分辨率(可以从地球上探测到在月球上点燃的一根火柴)。

  有这些技术之后,我们在2016年8月发射了量子科学实验卫星。“墨子号”有三项科学任务,第一,实现量子密钥分发,结果令人满意。去年千公里级量子密钥分发速率~1kbps,比同距离光纤提高20个数量级,现在每秒钟稳定可以达到十万个密钥甚至几十万个密钥。除此之外可以量子隐形传态和量子纠缠分发,实现空间尺度爱因斯坦定性条件的检验。

  

  最后展望一下未来,随着目前跟相关部门的沟通,未来在量子中继支撑之下可以形成天地一体的量子保密通信网络。技术本身可以提供别的相关手段,可以利用隐形传态和量子纠缠分发,未来可以构建一个等效口径是地球截面大小的望远镜,它可以达到非常高的分辨率,地球上可以观测到木星轨道上车牌大小。这个手段可以进行高精度的频率标准的传输,可以做引力所导致的量子纠缠退关联的相关实验。

  

  我觉得非常有意思,从量子力学,非定域性的基础研究出发,慢慢发展一些精细技术,之后可以应用于基础研究,最后变成实用化研究。而实用的技术又可以实现量子力学一些非定域性的终极检验和量子引力检验,所以对基础研究的肯定,无论如何都是不过分的。谢谢大家。

  

  潘建伟

  我国物理学家。中国科学技术大学教授,中国科学院院士,发展中国家科学院院士,奥地利科学院外籍院士,中科院量子信息与量子科技创新研究院院长。主要从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究。利用量子光学手段,他在量子调控领域取得了一系列有重要意义的研究成果,尤其是他关于量子通信和多光子纠缠操纵的系统性创新工作使得量子信息实验研究成为近年来物理学发展最迅速的方向之一。

 
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