同江老科協(xié) 侯長俊
一、量子通信
二、量子計算機
三、“墨子號”量子衛(wèi)星
一百年后的今天量子物理已成為科學(xué)技術(shù)的高峰，基于量子規(guī)律的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這些量子技術(shù)深深地影響和改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)，生活。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥醫(yī)療等方面的應(yīng)用正在興起，其中最注目的就是信息通信和計算機方面取得的成就。
一、量子通信
量子通信是指利用光子等基本粒子的糾纏效應(yīng)來實現(xiàn)的通信過程。量子通信是高保密、大容量、遠距離的新型通信方式，量子通信有兩個發(fā)展方向，量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)。
量子隱形傳態(tài)，是把一個A的量子態(tài)傳給另一個量子B。讓B變成A的最初狀態(tài)。這不是郵遞員的實物傳遞。它傳輸?shù)牟皇橇孔颖旧恚橇孔討B(tài)攜帶的量子信息。想象這傳輸過程，先提取原物所有信息傳給接收方，接收方依據(jù)信息選取構(gòu)成原物完全相同的基本單元，制造出原物完美的復(fù)制品。這種理想傳輸因不確定原理，在測量技術(shù)未取得突破之前是無法實現(xiàn)的。這種沒有載體、超越光速的真正量子通信尚離我們還遠。
那么隱形傳態(tài)是如何實現(xiàn)的，1993年科學(xué)家提出用經(jīng)典和量子結(jié)合的辦法。先制備一對糾纏粒子分放于通信雙方所在地。將一個攜帶量子信息的量子態(tài)粒子和發(fā)射方粒子進行聯(lián)合測量（即操控），接收方粒子瞬間坍塌，這個狀態(tài)與發(fā)送方粒子坍塌后的狀態(tài)是對稱的，后把測量的信息通過經(jīng)典信道告知接收方，接收方根據(jù)接收到的信息對坍塌粒子進行逆轉(zhuǎn)變換即可得到與發(fā)射方完全相同的未知量子態(tài)。打個比方，把一付撲克牌隨機分成兩部分，由信使帶一部分到接收方B地，另一部分留在發(fā)射方A地，兩部分撲克牌可以看做一對糾纏粒子，即密碼，一旦知道一方密碼就可知另一方密碼。A方把測量結(jié)果用經(jīng)典信道告訴B，B同時知道了A的密碼，B就可以用密碼解讀A傳遞的信息。
量子傳輸?shù)陌踩怯闪孔犹匦詻Q定的。測不準原理，單光子不可再分和不可克隆保證了量子傳輸?shù)慕^對安全。量子傳輸?shù)母咝怯闪孔拥犹匦运鶝Q定的。傳輸信息量的基本單位稱比特，一個電子比特代表經(jīng)典二值系統(tǒng)“0”或“1”的一個取值的信息量，即一次發(fā)送一個“0”或“1”。量子比特代表雙態(tài)系統(tǒng)“0”和“1”的取值的信息量，即一次發(fā)送“0”和“1”的迭加。如n代表發(fā)送次數(shù)，電子與量子傳送比特比就是n : 2n，若發(fā)送10次就是10個電子比特比1024個量子比特，隨n的增大2n的數(shù)字將驚人的大，故量子傳輸?shù)娜萘看螅矢摺?/FONT>
2、量子密鑰分發(fā)
量子密鑰分發(fā)是量子通信中的一種加密方式。它可以為分隔兩地的用戶提供無條件的共享密鑰。被認為是最安全的加密方式。密鑰就是密碼和解密技術(shù)。通信安全與否要看抵抗黑客攻擊的能力，該技術(shù)的核心是實現(xiàn)了測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)。這就先天免疫了任何對探測系統(tǒng)攻擊的黑客。該成果極大地推動了光纖遠距離通信的發(fā)展。
量子密鑰分發(fā)實質(zhì)是依托光纖通信，利用光子不可再分的物理保密特性給經(jīng)典通訊加了一把密碼鎖。目前由中科院潘建偉教授主導(dǎo)的量子密鑰通信已形成產(chǎn)業(yè)化，從城域保密通信，到2000Km京滬通信干線，最近又實現(xiàn)了垮州際量子保密通訊，很好地實現(xiàn)了與京滬通信干線的匹配，在這一領(lǐng)域中國走在了世界的前列。
六、量子計算機
在電子計算機發(fā)展受到高能耗和集成線路發(fā)熱的制約下，電子計算機的運算能力近乎到了極限的背景下。1981年由美國科學(xué)家弗曼首先提出并制做了量子機算機。
量子計算機是按量子理論進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算，存儲及處理量子信息的裝置。量子計算機能問世完全取決量子相干、疊加特性。量子相干、疊加性和量子算法構(gòu)成量子計算機的原理。
電子計算機是利用電子有開、關(guān)即0或1的二個邏輯態(tài)，進入二進制系統(tǒng)進行運作的；量子計算機可制備0和1的雙子疊加態(tài)進行運作。電子計算機是靠一個個電子比特相加進行運算，量子計算機是靠多個量子比特同時參與的并行運算。若計算機運算n次，電子計算機只有n個電子比特，量子計算機就有2n個量子比特。量子疊加打開了計算能力的空間。量子計算機的運算能力，取決于可操控量子比特的多少。美國起步最早可操控量子比特9個、日本6個，中國10個。多1個比特運算能力大一倍。中國在國際處于領(lǐng)先地位，中國科學(xué)家預(yù)測到年底可操控20個糾纏粒子。中科院“一號工程”將投資70億元建立世界罕見的量子信息國家實驗室，其中一項重要任務(wù)就是搭建中國首臺量子計算機，其能力將比全球計算機加起來還要快100萬倍。
七、“墨子號”量子衛(wèi)星
墨子是中國古代科學(xué)家，最早提出光是直線傳播的，并實踐了小孔成像。為紀念他在早期物理光學(xué)方面取得的成就，故以他的名字命名量子衛(wèi)星。
發(fā)射“墨子號”量子衛(wèi)星的目的一是檢驗量子理論在實驗室表現(xiàn)出的奇異特性，在太空中是否也存在，進而實現(xiàn)星地量子通信傳輸。二是借助衛(wèi)星平臺實現(xiàn)地面遠距離量子通信。“墨子號”量子衛(wèi)星已圓滿完成了量地高速密鑰分發(fā)，量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)三大任務(wù)。就在今年九月二十九日“墨子號”量子衛(wèi)星又實現(xiàn)了跨州際量子通信，并完美地與京滬光纖主干網(wǎng)實現(xiàn)了匹配。中科院院長白春禮在北京進行了人類第一次用量子加密技術(shù)同世界聯(lián)系，同遠在歐州的奧地利科學(xué)院院長，安東塞格通話，與合肥、濟南、上海、新疆等地進行視頻通話。“墨子號”一星的成功將為“墨子號”多星上天建立一個不可竊聽、不可破譯，不怕攻擊的全球通信網(wǎng)奠定堅實的基礎(chǔ)。