入围2018年物理学十大进展，量子通信可能让黑客永远失业！| 陈宇翱
|
陈宇翱
中国科学技术大学教授
欧洲物理学会“菲涅尔奖”得主
以下内容为陈宇翱演讲实录：
说到量子，大家可能既熟悉又陌生。什么是量子？举个例子，我手里这个激光笔，这就是一支量子笔。我按一下翻页，大家知道这一瞬间有多少个量子从这里传输出去了吗？我可以告诉大家，我在按下翻页的瞬间，有上万亿个量子发射出去了。
它是不是很厉害？为什么这么厉害？请容许我给大家解释一下量子的概念。量子是能量的最小单位，所有的微观粒子，比如分子、原子、电子、光子，都是量子的一种表现形态。
大家知道，整个世界都是由微观粒子组成的，某种意义而言，世界本身就是由量子组成的。我手上这支笔、在座的大家，包括我，都是24K纯量子产品，呼一口气都是上万亿量子进出，所以大家都是分分钟几十亿上下的人才。
这样说来，量子并不神秘，也没什么高深的，但是在过去的一百年，对量子的研究已经成为现代科技的支柱，发展出了诸如激光、核磁共振、巨磁阻等与我们生活息息相关的、先进的科技进展，而且可以相信未来会带来更多的进展。
在量子世界中，有两个基本原理，一个是量子叠加原理，一个是由量子叠加原理引申出来的量子纠缠。
首先要跟大家介绍的是量子的叠加原理。举个例子，《西游记》大家都看过吧，我从小也非常希望能有孙悟空的一个能力——分身术。一个分身听师父训话，另一个分身跑出去捣蛋。
在量子世界里，量子就是孙悟空，它也有分身术，但是和孙悟空的分身术不同的地方在于，在量子的世界里，量子的分身不能被人看到，一旦有人去看它，它的分身就会随机地消失，最后只留下一个。假设你在ABC三个地方有三个分身，如果有人，不管在哪个地方看到它，剩下两个分身便会随机消失，可能是AB，可能是BC，可能是AC，而仅留下一个。这就是和孙悟空的分身术不一样的地方。
这可以通过双缝实验验证。有两个一摸一样的狭缝，我们有一杆枪不停地发出电子，电子会同时穿过这两个狭缝，而在背后留下相应的干涉条纹。但如果我们有一个装置去看这个电子是从哪个狭缝穿过的时候，你就会发现，每一次它只从其中一个穿过，而在后面留下两条杠。
没有观测的时候它会同时穿过，有观测的时候只从一个地方穿过，两种状态并行，这就是量子叠加原理。
再打个形象一点的比方，假如我是一个量子，我从单位到家里有两条路，一条经过鲜花市场，一条经过海鲜市场。如果我开车下班，相当于我对自己进行了测量，那我很确定我走的是哪条路，并且我太太也可以知道我走的哪条路。因为如果我走鲜花那条路，我身上就是鲜花味道，如果我走海鲜那条路，身上就是鱼腥味。
但有天我非常累，选择打车回家，回家后我太太问我：“今天你是从哪条路回来的呀？”，我说：“不好意思，刚刚路上睡着了，我也不知道从哪条路回来的，你闻我身上看看。”她闻了之后感觉很奇怪，一半是香味一半是腥味，就好像我从两条路同时过来了一样。
这就是量子叠加原理，当有人对它进行测量，它就只有一种状态，没有人对它测量，它是多种状态并存。当然在现实生活中，更大的可能是我被出租车司机坑了。
如果把量子叠加原理合到多个量子的情况，会是什么呢？就是爱因斯坦称之为“遥远距离诡异的相互作用”的量子纠缠。它就像双胞胎心灵感应一样，这两颗骰子无论相距多远，掷出来的结果始终是一样的。
用刚刚量子分身的概念来讲，比如我和你纠缠在一起，每个人都有两个分身，分别在上海和北京。如果有人对我进行了测量，那么我有个分身会消失，那你的分身会怎么样呢？我可以告诉大家的是，你的分身也会消失。
比如我上海的分身消失了，只留下北京的分身，那必然会发生的事情就是你在上海的分身也会消失，只留下北京的分身。这就是量子纠缠，量子隐形传输的概念也就呼之欲出。
如果我们想把北京的量子传送到上海，我先在北京和上海之间建立这样的纠缠，然后通过对两地的粒子做一些特殊的操作，那么在北京的量子就会消失，出现在上海。量子叠加原理和量子纠缠到底有什么作用呢？
首先是计算能力的飞跃。经典的计算机只有0和1，每个比特都是这两种状态。但在量子中可以处在0和1叠加态上，这样一旦操纵的量子数目增多，它会以指数增长的形式来提升它的运算速度，有并行运算的能力。
举个例子来说，经典的计算机分解300位的大数需要15万年，但是量子计算机只要一秒钟！当我们操纵25个量子的时候，我们的计算能力已经达到了现有计算机四核的计算能力，而当我们能操纵50个量子的时候，现在世界上最快的计算机——“天河二号”的计算机已经赶不上了。当然量子计算离我们还比较遥远，未来会给我们带来很多应用，比如天气预报、石油勘探等。
目前来看，量子分身术还有一个更为直接的应用，就是量子保密通信。
曾经，我们认为光缆是最安全的信息传递方式，因为它把所有光的能量限制在光纤里，外面得不到能量。如果把光缆放入几千米深的海底，就更加安全。
但是随着科技的发展，现在已经有这样的装置，只要把光缆往这个装置上盘一盘，就能让很小很小一部分的能量泄漏出来，而我们现在科技的发展可以对这么一部分能量进行完全的探测。
就是这么一小部分能量的探测，光缆里传递的信号其实已经是完全透明的了，可以完全读出光缆里传递的信息。这对我们个人或者国家而言，完全没有安全可言。
幸运的是，量子保密通信提供了这样的传递方式。比如我想把一个小秘密传达给吴老师，首先，我先给他传一把钥匙，再给他传一个锁住的箱子，吴老师有这把钥匙就可以把箱子打开，读到里面的内容。
我刚刚讲到量子有很多的分身，所以如果有人想截获这把钥匙，是不是能得到这个秘密呢？是不可能的。他一旦对钥匙进行了测量，其他的分身就会消失，所以我们一看就知道有人在窃听，那我们就把这把钥匙废掉，再传一把。
有的人提到说，既然都截获了，为什么不复制一把钥匙呢？这里要提到一个非常简单但是非常美的定理——量子不可克隆定理。我们有复印机，一张白纸或者一封信，一扫描就可以复印出来。
但在量子世界里，假设有这样的克隆机，可以对量子态进行克隆，0会变成00，1会变成11。如果我输入0+1的叠加态，它不应该是00+11这样的纠缠的形式。而我们知道，我们作为一个克隆机，我想要的是0+1和0+1，这样简单的公式限制了一个未知的量子态不能被克隆。
刚刚讲到，我发现了有人窃听，而他又不能进行克隆，所以当我确保吴老师拿到了唯一的钥匙之后，接下来很简单，我把箱子交给吴老师，他拿到之后打开，就能够得到里面的信息。这个方式足够安全吗？我可以告诉大家，只要因果律成立，也就是只要信息传递不超过光速，时间不可反演，这种通信方式是无条件安全的！
建立量子保密通信的终极目标就是建立覆盖全国乃至全球范围的量子保密通信网络。目前世界上比较公认的路线图是：先利用光纤在城市内构建一个网络，然后利用中继连接城市。在超远距离，我们通过卫星的中转实现远距离的量子通信。
我和我的同事们正沿着这个路线在努力着，我们已经先后在合肥、北京、济南实现了城市内的量子通信网络。
目前我们正在构建的工程是北京到上海的量子保密京沪干线，这个干线不同于我们平时说的高速铁路，我们想提供这么一种服务，我们希望能在这条主干线上任意两点之间都能传递保密的信息。
而在更远的地方，例如我国的西部、西北部，甚至是我国各个大使馆的所在地，这些光纤不容易铺到的地方怎么办？我们可以通过卫星中转，我们中科院的量子卫星在“墨子号”于2016年8月16日成功发射，我们要构建一个星地量子通信信道，通过卫星中转，实现超远距离的通信。
同时这颗卫星会连上刚刚提到的京沪干线，京沪干线已于2017年8月完成全网技术验收，2017年9月29日正式开通。我们希望在未来形成天地一体化的量子保密通信网络，再进一步扩展到更大的范围，希望在不久的将来能够形成全国乃至全球范围的量子保密通信网络。到那个时候，我希望给大家提供比如网银、ATM取款等更为安全的环境，从国家层面而言也能够更加安全。
这些不是凭空想象，我们有足够的技术和经验。回顾因特网的发展史，在上个世纪70年代初，因特网只是在美国国家安全部门支持下的几个实验室里建立的几个网络，而到70年代末，大学的实验室纷纷仿效，建立了这样的局域网。
一直到1988年，美国自然科学基金委成立了NSFNet项目，开始构建横跨东西海岸的骨干网，之后以每年15%的速度增长，一直到1995年，基本上覆盖了全美国，而那个时候自然基金委就退出了舞台，由私营企业接管。
量子保密通信发展的会快一些，但毕竟是在成功经验的基础上，所以我们现在已经进入到了建设骨干网的阶段，希望能够在10—15年之内构建覆盖全国的量子保密通信网络。随着我们对量子越来越深入的研究，可以说：未来，一切皆有可能！
比如我从北京到上海不再需要坐高铁或者飞机，只要在两地之间建立一个跟我差不多大的纠缠，然后对它进行一些测量，传递一些数据，“嗖”一下，一个人就过去了。但我要强调的是，这边的人就会消失，跑到了上海，这也关系到量子不可克隆原理，阻止了同时有两个人出现的可能性。
另外《西游记》中还有千里眼、顺风耳等神仙，现代的科技已经实现了，比如顺风耳就是手机，千里眼就是电视，可视电话就是它们的合体。
还有一个神奇的“天上一日，地上一年”，这在我们的现代科技里也能找到相应的解释，有这么一辆没有终点的列车绕着地球不停地转、不停地加速，当它加速到每秒能够绕地球7圈，也即无限接近光速时，列车上的时间会被无限制地放慢。
车上以为过去一个月的时候，列车停下打开车门，发现地球上的时间已经过去了三十年，来到了未来世界，真的是“车上一日，地上一年”。
对于我们来说，怎么保持列车的永动？怎么把列车加到光速？目前我们还没有办法解决，但我们有那么一群始终坚持自己理想的科研工作者，在常人眼里她们非常无趣、非常枯燥，就像《生活大爆炸》里一样，每天的生活就是check email、做实验、算公式……用我太太的话讲就是一点浪漫细胞都没有。
但是就是这么一群无趣的人，用着最无趣的方式，实现了一个个科技的突破。因为我们始终坚持着一个理想，那就是去实现人类最五彩绚烂的梦想，做最浪漫的追梦人。谢谢大家。
推荐阅读
点击图片直达原文
“SELF格致论道”讲坛是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。SELF是 Science, Education, Life, Future的缩写，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息，欢迎关注微信公众号：SELFtalks，微博：SELF格致论道讲坛