科幻電影里，經(jīng)常出現(xiàn)一種類似“傳送門”的機(jī)器——人或物體走進(jìn)去，瞬時就被傳送到另一處地點(diǎn)，甚至是另一個星球。
有人說這種想象因違背相對論而只可能是幻想。但也有人說量子通信為這種“乾坤大挪移”帶來曙光。
量子科學(xué)和技術(shù)究竟能為人類世界帶來什么改變？真的存在無人能破譯的密碼嗎？量子計(jì)算機(jī)最終能讓機(jī)器產(chǎn)生“意識”嗎？
量子密碼真能帶來絕對安全嗎？
諜戰(zhàn)迷們應(yīng)該非常熟悉，密碼的戰(zhàn)爭波詭云譎，瞬息萬變。加密和解密像“矛”與“盾”一樣，在此消彼長間考量著情報人員的智慧機(jī)變。
現(xiàn)實(shí)世界里更是如此。大家意識到，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)成功可能只是時間問題。那么，曾經(jīng)風(fēng)光一時的基于兩個大質(zhì)數(shù)乘積的RSA公鑰密碼體制很有可能在量子計(jì)算機(jī)面前一觸即破，開發(fā)密鑰分配的新技術(shù)已經(jīng)刻不容緩。
出路還是“量子不可克隆原理”。簡單地說，對任意一個未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制過程是不可實(shí)現(xiàn)的，這從原理上保證了量子密碼的絕對安全。
但這不意味著任何以量子保密協(xié)議為基礎(chǔ)的通信系統(tǒng)都是安全的。因?yàn)樗M(jìn)行的實(shí)驗(yàn)未必真正符合保密協(xié)議安全性證明中所要求的前提條件，量子通信還需要解決由于實(shí)際系統(tǒng)中元器件的不完美性所帶來的安全性問題。
比如，對于著名的BB84協(xié)議，一個完整的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)包括光源、編碼、信道傳輸、解碼、探測五個部分。
拿光源來說，目前都是采用單一強(qiáng)度弱相干態(tài)來代替單光子，這就必然會導(dǎo)致光子數(shù)分流攻擊的可能性（誘騙態(tài)協(xié)議能有效解決這個問題）；而針對探測部分，理論上要求單光子探測器的效率為1，暗計(jì)數(shù)為0，死時間為0等，然而這些條件在實(shí)際中都無法得到滿足，于是時移攻擊、致盲攻擊有了可乘之機(jī)；此外，編碼、解碼、信道傳輸?shù)仍O(shè)備的缺陷都可能帶來不同程度的安全隱患。
量子通信的安全漏洞還在不斷浮出水面。雖然從原理上看，這些攻擊方式都可以克服，但必須充分挖掘各種安全漏洞并加以克服，才能真正保證量子通信的安全性。
可喜的是，中國科學(xué)家在提高實(shí)際量子通信系統(tǒng)的安全性方面不斷取得突破。
例如，2013年，潘建偉團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)馬雄峰等組成的聯(lián)合研究小組，利用與美國斯坦福大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的高效低噪聲上轉(zhuǎn)換單光子探測器，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了測量器件無關(guān)的量子密鑰分發(fā)，成功解決了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實(shí)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全性，并于2014年將安全通信距離提高至200公里，創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄。
這兩項(xiàng)成果先后入選美國物理學(xué)會2013年度國際物理學(xué)重大進(jìn)展（Highlights of the Year）和兩院院士評選的2014年中國十大科技進(jìn)展新聞。
雖然絕對安全的量子密碼還有很長的路要走，但是畢竟有了原理的保證，工程技術(shù)難題的解決都只是時間問題。不可克隆原理賦予了量子密碼長久的生命力，我們完全有理由對量子密鑰充滿信心。
全量子時代何時到來？
基于衛(wèi)星的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)的建成，將深刻改變?nèi)澜绲耐ㄐ鸥窬�，傳遞絕密信息將變得前所未有的安全。
然而，僅僅安全就夠了嗎？量子通信志不止于此�？茖W(xué)家們要實(shí)現(xiàn)的是全量子網(wǎng)絡(luò)。
全量子網(wǎng)絡(luò)與我們前面所說的量子通信網(wǎng)絡(luò)有何不同呢？
對現(xiàn)階段的我們來說，需要傳遞的信息都只不過是經(jīng)典的“0或1”。這是由于我們?nèi)粘Ｊ澜缰械男畔⒍际怯媒?jīng)典的方式表示的。
但可以肯定的是，隨著量子科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，它將不可避免地深入滲透人們的生產(chǎn)生活。未來有一天，僅僅傳輸經(jīng)典信息將難以滿足需要，人們需要直接傳輸量子態(tài)和量子糾纏，傳輸后的量子態(tài)應(yīng)該可以直接被讀取和識別。
那時，全量子網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)運(yùn)而生！它將意味著人類從經(jīng)典信息時代跨越到量子信息時代。
有專家推測，全量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)可能會首先萌芽于大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)，因?yàn)檫@些機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室有著量子態(tài)操控和測量的直接需要。而要傳輸量子態(tài)，經(jīng)典信道無能為力，必須借助全量子網(wǎng)絡(luò)，也就是科研機(jī)構(gòu)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)協(xié)作網(wǎng)”。
接下來，若是希望籍此進(jìn)一步改變世界面貌，量子計(jì)算機(jī)必將是全量子時代一個繞不開的關(guān)卡。
我們知道，經(jīng)典計(jì)算機(jī)面臨著自身天然的局限性，計(jì)算速度和性能受到極大限制。而量子計(jì)算機(jī)基于量子態(tài)疊加原理和量子糾纏特性，具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法比擬的、快速的、高保密的計(jì)算功能。
其實(shí)，量子計(jì)算機(jī)同樣是進(jìn)行運(yùn)算、存儲及信息處理的物理裝置。只不過，量子計(jì)算機(jī)的信息編碼是在基本粒子或其他微觀系統(tǒng)的量子態(tài)上，可以克服經(jīng)典計(jì)算機(jī)尺度受限的問題。
現(xiàn)在，在某些特定問題上，人們已經(jīng)找到了獨(dú)特的量子算法，大幅提高計(jì)算速度，縮短計(jì)算時間。有了量子計(jì)算機(jī)，量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時代就不再遙遠(yuǎn)。
科學(xué)家設(shè)想，量子互聯(lián)網(wǎng)將以量子計(jì)算機(jī)作為節(jié)點(diǎn)，通過量子信道進(jìn)行連接。量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息大部分是由量子態(tài)表示的中間態(tài)或計(jì)算結(jié)果，全量子通信因此得以實(shí)現(xiàn)。
就目前來說，這種偉大設(shè)想還有很多技術(shù)問題有待解決，包括量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中不同物理系統(tǒng)間的量子連通性等。此外，實(shí)用化的量子互聯(lián)網(wǎng)對通信的時效性、誤碼率也有一定要求。
解決這些技術(shù)問題，科學(xué)家們還有很長的路要走。
沒有量子應(yīng)用，人工智能永遠(yuǎn)取代不了人類？
今年3月，AlphaGo對戰(zhàn)世界圍棋冠軍、職業(yè)九段選手李世石，大獲全勝。
在變化多端的圍棋面前，AlphaGo展現(xiàn)出了強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)和類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。人們不禁要問，量子計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的計(jì)算能力會不會成為人類“終結(jié)者”呢？
理論上來講，這種擔(dān)憂不無道理。
量子計(jì)算機(jī)采用的是量子比特。不同于傳統(tǒng)比特，量子比特不僅可以表示0和1，還可以表示0和1的疊加態(tài)。隨著比特位數(shù)的增加，量子比特表示的信息量隨指數(shù)上升，運(yùn)算和存儲能力會產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。
科學(xué)家預(yù)測，未來5到10年將能夠?qū)崿F(xiàn)100個量子比特的相關(guān)操縱。
這是什么概念呢？據(jù)估計(jì)，當(dāng)能夠操縱25個粒子時，它在某些特定計(jì)算問題的求解速度上和商用CPU相當(dāng)；而能操縱45個粒子時，它的計(jì)算能力（可能僅針對某一類特定功能）就和天河二號難分伯仲。
當(dāng)有100個量子存儲單元的量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，在人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)里要求解10的24次方，利用目前的天河二號大概需要100年，但利用這種量子計(jì)算機(jī)就只需要0.01秒。
除了驚人的并行運(yùn)算和存儲能力，量子計(jì)算還在另一個層面上類似于人腦，那就是鬼魅的“糾纏”。那么，對于人工智能來說，量子糾纏效應(yīng)意味著什么呢？
科學(xué)家舉過一個例子。“如果一個經(jīng)典機(jī)器人前面放著兩盆花，兩盆花跟機(jī)器人的距離是一樣的，我讓機(jī)器人拿一束花獻(xiàn)給我的女友，這兩盆花長得一樣，跟你的距離也是一樣，即機(jī)器人看到的所有東西完全一樣的情況下，如果沒有事先預(yù)置程序，機(jī)器人就會死機(jī)。”
這就是經(jīng)典機(jī)器人和人腦的區(qū)別——機(jī)器人預(yù)置的所有信息都是可以復(fù)制的。但當(dāng)你不知道人類的大腦在思考什么時，人類大腦里的信息是復(fù)制不出來的。“不可測”保證了人類和機(jī)器人的本質(zhì)區(qū)別，人類有自由的意志和自由的思想。
但當(dāng)量子計(jì)算機(jī)橫空出世，情況可能會有質(zhì)的變化。人類大腦里面的思維機(jī)制和量子糾纏、量子疊加是十分類似的。量子計(jì)算機(jī)天然地帶有類似人腦的學(xué)習(xí)屬性，再加上其海量的數(shù)據(jù)處理能力，模仿人類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也許并不是那么遙不可及。
如果像《變形金剛》里提到的，機(jī)器人裝上量子大腦，人工智能取代人類也許就不是神話。
不過目前看來，這種擔(dān)心大可不必，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的運(yùn)行對環(huán)境要求極為苛刻：真空、接近絕對零度、磁場保護(hù)。地球上的環(huán)境還不允許“量子機(jī)器人”橫行街市。
“乾坤大挪移”是真是幻？
電影《星際迷航》系列的導(dǎo)演強(qiáng)調(diào)過一種光波傳送器，它可以獲取并移動人體。借由這種神奇的裝置，人們可以瞬間轉(zhuǎn)移旅行。
這種科幻想象是否有望成真？量子通信技術(shù)是一線曙光嗎？量子隱形傳態(tài)最終能否用于傳送宏觀的實(shí)際物質(zhì)或能量呢？
答案可能要讓科幻迷們失望了——量子隱形傳態(tài)傳送的是“態(tài)”，而非實(shí)物。
當(dāng)然，科幻迷們可以大膽展開想象。比如，在甲乙兩地進(jìn)行糾纏，在甲地對實(shí)物進(jìn)行測量，將測量結(jié)果傳輸?shù)揭业兀业馗鶕?jù)結(jié)果用糾纏粒子重構(gòu)物體。也就是說，乙地得到的是原有物體所有態(tài)的復(fù)制品。
那么，這一終極夢想可否通過量子通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)呢？只怕不那么樂觀。
首先，實(shí)物隱形傳態(tài)要求發(fā)送方測量并傳送該實(shí)物的所有信息，傳送宏觀實(shí)物所需的糾纏數(shù)量將非常巨大！一個人原子數(shù)量的數(shù)量級在1027~1028以上，理論上說，至少同數(shù)量級的糾纏粒子才能實(shí)現(xiàn)人體原子部分的傳送。這么大量級的糾纏粒子制備是不可接受的。
其次，真正的量子物理體系擁有多種自由度。即使是一個最簡單的基本粒子，如單光子，它的性質(zhì)也包括波長、動量、自旋和軌道角動量等。更何況實(shí)物傳送還要求傳送組成實(shí)物的基本粒子的所有信息，這就不僅包含單個粒子的內(nèi)稟屬性，還包括粒子間相互作用的信息。因此，發(fā)送方的量子測量過程也必須同時在多個自由度上實(shí)現(xiàn)，這也是實(shí)物隱形傳態(tài)研究者將要面臨的一大難題（潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂等去年在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)，該成果以封面標(biāo)題的形式發(fā)表于《自然》雜志）。
最后，如果待傳送的實(shí)物是一個生命體，那就更蹊蹺了。傳輸需要短暫的時間，待傳送的宏觀實(shí)物如果是一只貓，那么一旦中斷則會完全失敗，即傳輸物質(zhì)不可儲存。那么在傳輸?shù)揭话氲呢垥r會是什么狀態(tài)呢？即使傳送成功，接受端得到的復(fù)制品是否能和之前的貓具有一樣的記憶和意識呢？
看來，隱形傳態(tài)傳送實(shí)物的前景并不樂觀，你我有生之年，《星際迷航》中那神奇的傳送門可能都無法實(shí)現(xiàn)。
但無論如何，過去100年間，量子力學(xué)理論如同一片奇幻森林，時而曲徑通幽，云山霧罩；時而峰回路轉(zhuǎn)，恣意汪洋。同時，它幾乎深入自然科學(xué)和技術(shù)的每個角落，給人類帶來了如此之多的重要發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。
量子物理深入凝聚態(tài)理論，半導(dǎo)體和微電子技術(shù)才成為可能；晶格衍射知識為人們掌握，顯微鏡下的分子生物學(xué)世界才展現(xiàn)在人們面前；高能粒子相互作用是量子物理的舞臺，為了研究這類相互作用，人們建設(shè)了歐洲核子研究中心，順便開發(fā)出了我們?nèi)缃穸荚谑褂玫木W(wǎng)頁瀏覽器……
可以說，量子物理理論和技術(shù)的發(fā)展，在能源、信息技術(shù)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域都引發(fā)了革命性的影響。
如今，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射和運(yùn)行將標(biāo)志著廣域量子通信研究邁進(jìn)了基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的“星地時代”。
那么未來呢？我們完全有理由相信，在未來的100年間量子通信和其他量子分支還會給我們帶來更多激動人心的驚喜。
也許，正如著名物理學(xué)家玻爾所說：“人們很難做出預(yù)測——尤其是未來（It is very difficult to predict—— especially the future）。”
量子理論遠(yuǎn)未走到盡頭，它自誕生以來，就擔(dān)負(fù)了太多疑惑、榮耀和人類最深邃的想象，也注定要繼續(xù)影響整個人類社會的未來。■
（作者系中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系博士）