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潘建偉新量子革命:量子物理基礎檢驗到量子信息技術

2018-06-08 11:15瀏覽數:12 

來源:科學大院

  大家都知道,不算從前的那些發明,從嚴格意義上講,人類歷史上有兩次科學革命。

  第一次革命以經典力學為代表,在伽利略和很多科學家的基礎之上,牛頓作了一個總結:所有的力學現象都可以統一為一個簡單的公式:

  在這兩個簡單公式之下,所有的力學現象,如飛機飛行、星星在動、東西會掉下來等等,都可以由這個理論來解釋。隨后在法拉第等很多科學家的努力之下,麥克斯維爾建立了電磁場動力學理論:所有的光、電、磁的現象都可以統一為麥克斯維爾方程組。有這些概念上的突破之后,很快就帶來了人類歷史上的兩次產業變革(工業革命)。

牛頓

  麥克斯維爾

  首先是以蒸汽機為代表的第一次產業變革,這使英國在18世紀末成為了世界的頭號強國。隨后迎來了以電力技術為基礎的第二次產業變革,使得德國在19世紀中期、美國在20世紀也變成了工業強國。從這個意義上講,可以說基礎研究的突破,通常會帶來技術和產業方面的突破。

  量子力學:全新的觀念

  大家對經典理論非常滿意的同時,也發現經典物理學其實有一個困境。牛頓力學告訴我們,一旦事先物體初始狀態是確定的話,則根據力學方程,所有粒子未來的運動狀態都是可以精確預言的!

  按照這個思路,如果再往下思考的話,一切事件(包括今天的會議)都是在宇宙大爆炸時就已經確定好的嗎?個人努力的結果也是由物理原理來決定的嗎?

  盡管我不太懂霍金的理論,但是我非常喜歡他講的一句話:即使是相信一切都是上天注定的人,在過馬路的時候也會左右看。所以盡管我們對牛頓力學所取得的成就非常滿意,但對其中蘊含著的絕對論,我們持有很深的懷疑。

  到了上世紀初,歸功于普朗克、愛因斯坦、波爾、薛定諤、海森堡等很多杰出科學家,量子力學和相對論的建立帶來了全新的觀念。那么是什么改變了牛頓力學的基本觀念呢?

  其中一個就是大家都知道的量子,它是構成物質的最基本單元,是能量的最基本攜帶者。量子實際意味著有一個不可分割的特性:電子不能砍成1/2、1/3的電子,原子也不能砍成1/2的原子,分子、光也這樣。

光子 原子 分子

  根據經典物理學,一個客體的狀態,就像最簡單的二進制開和關,只能夠處于開或者關里面某一個,這就可以加載一個比特信息,或者說一只貓它只能夠處于死和活的狀態其中一個,而不會處于兩個狀態的疊加。而到量子世界里面,比如一個氫原子的狀態,可以處于激發態和基態相干疊加,可以0和1狀態同時共存。比如光子極化,水平振動叫做0,豎直振動叫做1的話,光子不僅可以處于水平振動和豎直振動,也可以斜著振動,這就是0+1疊加態,這在生活當中是廣泛存在的。

  0+1到底是什么意思呢?這里可以用一個簡單的比喻:比如科學院一個代表團從北京到法蘭克福去訪問,回來時如果經莫斯科比較涼快,走新加坡航線過來比較溫暖。如果一個成員在飛機上睡著了,沒有看到沿哪個航線過來。那么在微觀的世界,問他從哪里過來,到北京之后他會感到一種又冷又熱的感覺,會感覺也許我同時從兩邊過來,這個微觀的客體可以處于這么兩邊。這樣的話,我們可以來做一個實驗檢驗一下他到底從哪一條路過來。結果我每當去看粒子從哪邊過來的時候,它要么從新加坡過來比較溫暖,要么從莫斯科過來比較涼快。所以我們可以確定:我們在測量它從哪條航線過來時,它總是在某一條航線上。

  這樣一來,我們就有一個困境:我們每天生活當中從來沒有發生這種現象,但是在微觀世界這種現象經常發生,為什么呢?因為我們坐飛機的時候,有人睡著但周圍人可能醒著,大家都睡著了儀器還在觀測著在走哪一條航線。但是微觀世界某些特定情況下,你不再看它的時候,整個宇宙當中沒有任何一臺機器,沒有任何一個東西可以告訴你他從哪邊過來,微觀世界就處于相干疊加狀態。也就是說,量子客體,不去測量它會處于兩種狀態的疊加,一旦測量會落到某一種狀態,這給我們帶來一種革命性的觀念:觀測者的行為可以影響體系的演化!

  這種革命性的觀念,帶來了量子力學和相對論的第二次科學革命,必然會催生新的產業變革?,F代的信息技術在很大的程度上,都是建立在量子力學的應用基礎之上。比如說在核武器的研制過程中催生了計算機,高能物理數據傳輸需要催生了互聯網,GPS系統則來自用量子力學構建的原子鐘。第三次產業革命當中日本成為工業強國。信息技術某種意義上由量子科學革命所催生的。

 兩大瓶頸:信息安全&計算能力

  隨著信息技術的發展,信息安全瓶頸成為問題。保證信息安全有三個要素:為了確保被授權的用戶,身份不要被別人竊取,可以用加密算法進行身份論證;為了保證傳輸過程當中信息不被別人竊聽可以進行傳輸加密;為了保證傳輸內容不被篡改,可以用加密算法進行數字認證。某種意義講我們的信息安全是建立在加密算法或者加密技術的基礎之上。

  信息安全,在很早之前就成為我們人類的夢想。春秋時期為了進行身份認證有虎符,虎符對得上才能調兵。古希臘時斯巴達人用加密棒,命令之后只有擁有同樣加密棒的人才能把這個信息讀出來。到公元前一世紀羅馬帝國凱撒大帝又發明一種字符移動加密數,把ABC變成DEF等,但隨后被阿拉伯數學家Al-Kindi發現利用字母出現的頻率可以破譯密碼。最后我們設計了越來越復雜的密碼。到二戰時德國設計了復雜的密碼系統,但又被圖靈破解?,F在有廣為使用的公鑰體系RSA512,768,1024這些都被破譯。2017年2月,谷歌破解廣泛用于文件數字證書當中SHA-1算法,也就是說,依賴計算復雜度的經典算法,如果我們的計算能力足夠強大的話,原則上都會被破解,有人懷疑“以人類的才智無法構造人類自身不可破解的密碼”。這是目前經典加密算法的面臨的困境。

 圖靈破解德軍Enigma密碼系統

  目前大家都在討論大數據,人工智能。大數據和人工智能要充分發揮效能,其實對計算能力的需求非常巨大。但目前我們計算能力是非常有限的。全人類目前的計算能力,大概還沒有辦法在一年里面完成對2的80次方或者90次方數據窮舉搜索。提升計算能力一般要靠加強晶體管的集成度,但是傳統發展模式因為摩爾定律逐漸逼近極限,我們又遇到了新的瓶頸。比如可能不到十年左右的時間內,晶體管就會達到原子尺寸,這時候“隧穿效應”會占有主導作用。我們很難定義0和1。另外計算機目前的能耗巨大,例如AlphaGo下一盤圍棋需要消耗10噸煤的電。

  不過,一些科學家通過量子物理基礎檢驗,已經為解決信息安全和計算能力這些重大問題做好了準備。

  量子物理基礎檢驗

  首先是愛因斯坦。疊加原理認為一個粒子可以處于不確定的狀態,也就是說在測量之前,連上帝都不知道。為了說明疊加理論有問題,愛因斯坦提出量子糾纏的概念。一個粒子可以處于0+1,兩個粒子可以處于00+11,如果北京和上海之間有兩個糾纏的骰子,做實驗的時候,每一次實驗它們都是精確關聯的,不管相距多么遙遠。愛因斯坦把這一種現象叫做“遙遠地點之間的詭異的互動”。

(gif,不動戳我)

  他對這個問題做了進一步的分析,提出了定域實在論:

  物理量的值是預先確定的,與是否執行測量無關;

  在類空間隔對一個粒子的測量不會對另一個粒子產生影響。

  而量子糾纏概念卻告訴我們:

  單個粒子的物理量在測量前并沒有確定的值;

  對粒子A的測量不僅會決定自身的狀態,也會瞬間決定粒子B的狀態,無論相距多么遙遠。

  1935年,愛因斯坦提出定域實在論和量子力學非定域性存在矛盾,他懷疑量子力學對物理實在描述不完備。他認為上帝不扔骰子,很多事情是事先確定的。波爾卻認為在量子力學里面一個物理量值沒有測量之前,就可以處于不確定的狀態。但當時這兩種觀點孰對孰錯沒有辦法得到確認。

  1964年Bell提出,可以用實驗的方法來確定,假定兩個光子糾纏一起,沿著每個地方做一個基矢進行測量,如果愛因斯坦理論是對的,某個微觀客體物理原始值事先確定,他們遙遠地點之間不會互相影響,這個值會小于等于2。而量子力學算出來最大值2.828左右。70年代,大家開始對Bell不等式進行實驗檢驗。所有的實驗都證明量子力學是正確的,但是故事并沒有完結,這里面存在兩個漏洞。

  第一個漏洞,是自由基矢選擇漏洞。隨機數產生器可能預先存在某種關聯,造成測量基的選擇可能不是真正隨機的,也并非處于類空間隔。

  第二個漏洞,是局域塌縮漏洞。1935年,薛定諤又提出“薛定諤貓”的概念:如果一只貓裝在一個黑匣子里面,里面有一個放射源,他認為按照量子力學,可以認為這一只貓在沒有打開箱子之前,它是處于又死又活狀態的疊加的,即使是對這樣一個宏觀的客體。這樣一來,在做測量的過程當中,我們的觀測者還沒有看之前,這個測量結果并沒有完成。等到我們去看儀器結果的時候,是最后一刻才完成。這樣一來,對兩個粒子的測量就不存在類空間隔。

“薛定諤的貓”

  為了解決這個問題,一位專家Leggett提出,完成終極檢驗要有觀測者參與,一方面觀測者選擇基矢,這時候有隨機性;同時保證距離足夠遠,因為人反應這個時間一般是100毫秒左右,乘以光速的話,這兩個糾纏源的分布要達到宏觀尺寸才可以進行。

  新量子革命

  量子力學基礎檢驗過程當中,已經有能力把一個個光子挑出來變成0和1或者糾纏起來,進行探測,主動操縱,也就是說對量子力學基礎的檢驗而發展起來的一系列技術催生了量子信息技術,它主要有三個方面的內容:利用光子通訊可以實現原理上無條件安全的通訊方式,利用量子計算可以實現超快的計算能力,利用量子精密測量可以在測量精度方面來超越這個經典極限。

量子通信

  量子計算與模擬

  量子精密測量

  具體來說,我們可以利用一種單光子極化來傳輸密鑰,中間一個竊聽者對這個狀態看一下,本來是0+1狀態變成0或者1,這樣會引入噪聲。同時量子又不可分割,所以這個竊聽者不可能把這個信號分成一模一樣兩半,竊聽必然被發現。把那些沒有被竊聽過的信息留下來產生密鑰,可以保證密鑰分發的安全。然后結合一次一密等等實現原理上無條件的安全通信。當然它也可以用來身份認證、數字認證,也就是說,加密技術里面的三要素它都是滿足的。

  另外一個有趣的概念叫做量子信息狀態傳輸。這個非常類似于科幻故事《星際旅行》,利用糾纏,可以把一個微觀客體的狀態,從一個地點送到一個非常遙遠的地方。送過去含有大量粒子的宏觀客體很困難,但是至少已經可以送幾個粒子、幾十個粒子,幾百個粒子原理上也是可行的。相當于網絡里面信息走來走去,變成量子計算一個基本的單元。量子計算因為它有并行性,一百個量子比特時它可以達到二的一百次方疊加。所以計算的時候就可以實現并行的計算。比如大數分解和求解線性方程組,在大數據和人工智能方面都非常有用,有它特別的功效性。

  加密算法利用萬億次經典計算機分解三百位大數大約需要15萬年,而利用量子計算只要一秒鐘。當然量子計算機造出來還需要時間,但對物理學家來說,可以控制幾百個粒子系統,已經可以用來有效地求解凝聚態里面的、量子材料、量子化學的一些過程。比如模擬300個兩能級粒子的演化需要的經典存儲空間約為

  但如果可以構設一個普適的量子模擬器,可以非常方便求解方程。這一技術還可以用于量子精密測量,這個狀態對各種觀測非常的敏感。比如用于水下的導航技術,本來航行一百天定位誤差是幾十公里,現在一百天誤差大概能夠達到數百米,都是有可能的。

  量子信息學科這些年來已經得到了比較好的肯定。Glauber 教授因為剔除量子光學理論而獲得2005年諾貝爾物理學獎,他的這個理論就可以用于光量子通訊。在2013年和2018年,做相關研究的一些杰出物理學家也獲得了沃爾夫物理學獎,特別是2018年的沃爾夫物理學獎,相關科學家的獲獎的原因主要都引述了這幾年中國的工作,里面談到京滬干線的量子密鑰分發系統已經商用化,在光纖的傳輸中可以達數百公里,在衛星里應用達到千公里量級。另外實驗方面,一些物理學家由于在實驗技術方面的貢獻分別獲得了2010的沃爾夫獎和2012年的諾貝爾物理學獎,他們的技術在量子通信和量子計算方面得到了很好的肯定。

  最后我講講我們現實當中做什么。

  要在現實條件下實現量子保密通信的安全性,其實不是那么容易。首先有基本假設:信息的發射端和接收端是安全的,器件不會主動泄露信息,還有完美的單光子源和完美的探測器。器件不會主動往外泄漏信息,管理上要加以控制?,F實條件下管理可以保證發射端或者接收端里面自主可控器件不往外泄漏信息,但完美單光子資源目前沒有。我們通常通過弱相干光,一個脈沖里面可以有兩個光子,竊聽者可以拿走一個,另外一個放過去,還是沒有辦法解決這一個問題。與此同時探測器也不完美,竊聽者可以控制探測器讓探測器只探測他們已經知道的信息。所以發射端和接收端都有漏洞。

  幾位華人科學家在這方面做了比較好的工作。比如清華大學王相賓教授和華裔科學家加拿大羅開廣教授2007年取得比較好的進展,用誘騙態量子密鑰分發解決光源不完美問題。2012年羅開廣提出來探測器件不完美也可以解決。他實現了探測器無關的量子密鑰分發,這一個距離在前年我們已經擴展到了400公里。這一個過程當中,這兩個理論工作之后,現實條件下我們已經實現量子密鑰分發信息論可證的安全性,這是最高級別的安全性。還有另外一種我們追求的叫做測量器件無關量子密鑰分發,這是基于糾纏的。測量器件無關的量子密鑰分發是指哪怕設備不是中國制造,只要測試結果能通過理論檢驗,安全性也是可行的。當然這是最高級別的,目前大家都在往這一個方向做努力。

  目前基于量子密鑰分發的,信息論可證的安全性已經很好建立起來。有一個系統,已經在北京投入永久運行了。在城域網里面這個技術已經很成熟,但量子的信號因為不能被復制不能被測量,所以不能被放大,信號變得越來越弱,所以沒有辦法長距離使用。比如長度為1200公里的商用光纖中,即使有每秒百億發射率的理想單光子源和完美的探測器,也需要數百萬年才能傳送一個量子比特!這樣的體系只能夠城域網使用,不適于遠距離使用。怎么辦?

  前面提到的Peter Zoller獲沃爾夫獎的主要工作就是量子中繼,利用量子糾纏交換克服光子損耗,量子糾纏純化可以克服通道中噪聲,量子存儲克服資源指數消耗。1998年開始我們努力實現了糾纏交換和糾纏純化;2016年時實現通過中繼可以支持500公里的量子保密通訊需求。盡管我們經過了將近20年努力,要實現實用化的量子中繼樂觀估計也需要十年左右。當時我們迫于無奈就開始考慮另外一條途徑:自由空間量子通信。因為豎直大氣只有水平大氣五到十公里的等效厚度,這么一來大概80%的光是可以穿破大氣層的。為了保險起見,所以2003年的時候,我們在開始量子中繼研究的同時,也開展了自由空間量子通信實驗,2005年時我們證明光穿越大氣層等效厚度之后它的量子態還是可以校準和保持的。

  2012年我和王建宇院士合作證明,哪怕高損耗通路中有很大的損耗,也可以實現量子密鑰分發。后來又證明在衛星高速飛行的情況下,也能實現很好星地間對接。將近十多年的過程當中,我們發展了很多技術:高精度捕獲指向技術,近衍射極限的發散角,高精度的時間同步,高靈敏的能量分辨率(可以從地球上探測到在月球上點燃的一根火柴)。

  有這些技術之后,我們在2016年8月發射了量子科學實驗衛星?!澳犹枴庇腥椏茖W任務,第一,實現量子密鑰分發,結果令人滿意。去年千公里級量子密鑰分發速率~1kbps,比同距離光纖提高20個數量級,現在每秒鐘穩定可以達到十萬個密鑰甚至幾十萬個密鑰。除此之外可以量子隱形傳態和量子糾纏分發,實現空間尺度愛因斯坦定性條件的檢驗。

  最后展望一下未來,隨著目前跟相關部門的溝通,未來在量子中繼支撐之下可以形成天地一體的量子保密通信網絡。技術本身可以提供別的相關手段,可以利用隱形傳態和量子糾纏分發,未來可以構建一個等效口徑是地球截面大小的望遠鏡,它可以達到非常高的分辨率,地球上可以觀測到木星軌道上車牌大小。這個手段可以進行高精度的頻率標準的傳輸,可以做引力所導致的量子糾纏退關聯的相關實驗。

  我覺得非常有意思,從量子力學,非定域性的基礎研究出發,慢慢發展一些精細技術,之后可以應用于基礎研究,最后變成實用化研究。而實用的技術又可以實現量子力學一些非定域性的終極檢驗和量子引力檢驗,所以對基礎研究的肯定,無論如何都是不過分的。謝謝大家。

  潘建偉

  我國物理學家。中國科學技術大學教授,中國科學院院士,發展中國家科學院院士,奧地利科學院外籍院士,中科院量子信息與量子科技創新研究院院長。主要從事量子光學、量子信息和量子力學基礎問題檢驗等方面的研究。利用量子光學手段,他在量子調控領域取得了一系列有重要意義的研究成果,尤其是他關于量子通信和多光子糾纏操縱的系統性創新工作使得量子信息實驗研究成為近年來物理學發展最迅速的方向之一。


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