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建设量子京沪干线梦想瞬间移动

时间:2018-09-29 18:12:52| 来源:| 编辑:笔名| 点击:0次

建设量子“京沪干线”,梦想“瞬间移动”

近日,英国物理学会站《物理世界》公布了2015年度全球物理学界的10项重大突破。中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的多自由度量子隐形传态名列榜首,被评为年度突破。这是《物理世界》首次将这一殊荣授予中国科学家在本土做出的成果。

何为量子隐形传态?采访了中科大上海研究院陆朝阳教授。据介绍,明年我国将发射全球首颗量子科学实验卫星,全球首条量子通信保密干线京沪干线大尺度光纤量子通信骨干也将建成。在上海政府部门、科研机构的大力支持和参与下,量子通信战略性新兴产业正在孕育。

上帝不会掷骰子?

要介绍量子通信和量子隐形传态,还得从量子力学讲起。这是一个与牛顿力学等经典力学差异很大的物理学分支,由普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔等物理学家创立,是迄今为止描述微观世界最准确的理论。

中科大专家介绍,一个物理量如果不能连续变化,只能取一些分立的值,我们就说这个量是量子化的。好比上台阶,只能上一个台阶,而不能上半个。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化,但在微观世界,许多物理量是量子化的。如氢原子中电子的能量只能取一个基本值-13.6电子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等,而不能取其2倍或1/2、1/3。

量子力学描述世界的语言与经典力学有根本区别。经典力学描述一个粒子的状态,会给出它在什么位置、具有什么动量;量子力学给出的则是态矢量。简而言之,态矢量是一种概率。量子力学对粒子状态的描述都是概率这个粒子有可能在这里,也可能在那里,没有确定的位置。显然,这与我们在宏观世界中形成的常识相悖。莫非是由于粒子运动速度太快,观测者看不清吗?非也。量子力学认为,粒子状态的不确定性是一种客观真实的状态,而不是因为我们获得的信息不全。

打个比方,有些状态可以用指向为上、下、左、右的箭头表示,于是我们定义方向为一个物理量

建设量子京沪干线梦想瞬间移动

,但是还有些状态是一个圆,圆状态与箭头状态同样真实,只是没有确定的方向而已。如果对圆状态测方向,它会以相同的概率变成任何一个箭头状态。同样道理,科研人员制备多个具有相同状态的粒子,将测量其位置的实验重复多次,发现每次实验结果都不一样。量子力学认为这很正常,因为微观粒子的状态在本质上具有随机性,同样的原因可以导致不同结果。

这颠覆了经典力学对确定性的信念。爱因斯坦虽然是量子力学的缔造者之一,但终其一生,都不接受这套理论所认可的随机性。他说了一句名言:上帝不会掷骰子。

瞬间移动理论上可行

1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出一个名为EPR(三人姓名的首字母)的思想实验:制备A、B两个粒子的圆态,使它们在这一状态中的某个性质(如电子的自旋角动量、光子的偏振)相加等于零,而单个粒子的这个性质不确定;再将它们在空间上分开得很远(例如几光年);随后测量粒子A的这个性质。当测得A是上,那么测量者立刻就知道B的性质是下。

上世纪80年代,技术条件成熟后,法国的阿斯佩克特等人做了EPR实验。结果发现:EPR对粒子居然真的具有超时空关联!爱因斯坦为驳倒量子力学而构思的实验,反而证明这套理论是正确的。陆朝阳解释说,这两个粒子被称为处于纠缠态,无论相隔多远,一个粒子的量子态确定时,另一个粒子的量子态也瞬间确定。但两者之间并不能用于信息的传输,因此不违反相对论。

1993年,科学家提出,利用这种鬼魅似的超时空关联,可以进行量子隐形传态把粒子A的未知量子态传输给远处的粒子B,让B的状态变成A的最初状态。这种技术一旦实现,有助于实现无条件安全的超远距离保密通信。所谓无条件安全,是指原理上不可破译,无论窃听者的能力有多么强大。

1997年,奥地利因斯布鲁克大学塞林格、潘建伟等人在《自然》上发表论文,首次实现单个光子的单个自由度的量子隐形传态。2015年,已是中科院院士的潘建伟和陆朝阳等人实现了单个光子的2个自由度的量子隐形传态。所谓自由度,是描述一个体系所需的变量数目。从1到2,这一看似简单的跨越,物理学界探寻了18年,最终由中国团队折桂。

此前,潘建伟团队还在青海湖实现了100公里的量子隐形传态,创造世界纪录,并实现了冷原子团直接的量子隐形传态。这些成果给人们带来了很大的想象空间。今后,科学家有望实现更复杂物理的隐形传态。物理学家已经在思考,如何将一个细菌的量子态进行隐形传输。或许在遥远的未来,我们能用这种原理实现人的瞬间传输:上午你在上海,中午瞬间移动到巴黎,吃顿法国餐,然后回上海继续工作。陆朝阳说。

京沪金融通信绝对安全

当《七龙珠》中的瞬间移动术还是梦想时,量子保密通信技术已逐步成熟,达到了可以产业化的阶段。在这一领域,潘建伟团队取得了多项重大原创性科研成果,已占据国际引领地位。

预计明年7月,我国将发射量子科学实验卫星,率先实现高速星地量子通信。这颗由中科大、中科院上海技术物理研究所、上海微小卫星工程中心、中科院成都光电技术研究所联合研制的卫星,将在国际上率先开展空间尺度的量子保密通信、纠缠分发和超远距离的量子隐形传态实验。

对于量子保密通信,潘建伟解释说,经典通信的信号只有0和1,发生窃听时,这两种信号不会被扰动。如两人打时,他人可通过窃听器,从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子,使其进入另一根线路,从而实现窃听,而通话者无法察觉。量子通信与之不同,不但有信号0和1,还拥有0+1、等量子叠加态。根据量子力学的不确定性原理和不可克隆原理,量子信号一旦被窃听,量子叠加态就会受到扰动,有可能塌缩成另一个量子态。这样一来,通信双方能立即察觉。

实际应用量子通信的主要困难,是长距离传输过程中会出现信号损耗。为解决这一问题,潘建伟想到了卫星,因为外太空环境接近真空,信号损耗很小。量子科学实验卫星如果成功,我国有望在未来发射多颗量子通信卫星,逐步建立覆盖全球的量子通信络。

与此同时,地面上的量子通信络也在紧锣密鼓的建设中。国家发改委立项的京沪干线大尺度光纤量子通信骨干工程,将于明年完成验收并交付使用。其长度达2000公里,有10多个节点,从北京出发,经过济南、合肥,到达上海。利用这一高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信络,京沪两地的金融机构可以进行保密通信,包括、视频通话、电子邮件,达到无条件安全级别。

在张江高新区管委会、市科委、浦东新区政府等大力支持下,中科大上海研究院团队正在建设上海量子通信产业园,包括陆家嘴金融量子保密通信应用示范、量子通信上海总控中心与大数据服务中心,作为量子科学实验卫星京沪干线等国家重大任务在上海落地的公共服务平台。这些重大工程及其带动的产业,将成为上海科技创新中心建设的一大亮点。