窺探信息？問(wèn)“量子”同不同意

王月亮

2016年8月16日，當(dāng)中國(guó)奧運(yùn)健兒在巴西里約熱內(nèi)盧為國(guó)爭(zhēng)光時(shí)，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭，將世界上首枚科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空，在通信技術(shù)領(lǐng)域?yàn)橹袊?guó)摘得了一枚金牌。

“墨子號(hào)”的成功發(fā)射，將我國(guó)自主研發(fā)的量子通訊設(shè)備帶上了太空，它將產(chǎn)生并發(fā)出光量子，與地面信號(hào)接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“針尖對(duì)麥芒”式超高精度對(duì)接。這意味著一個(gè)通信新時(shí)代——量子通信時(shí)代即將到來(lái)。全世界的通信方式，在不久之后都將發(fā)生翻天覆地的變化。

通信界的新霸主——量子通信

1993年，美國(guó)科學(xué)家貝內(nèi)特率先提出了量子通信的概念，此后，世界各國(guó)就掀起了一場(chǎng)在量子通信領(lǐng)域的科技競(jìng)賽。

量子，是目前已探測(cè)到的微觀物理世界中最小的單位，它小到無(wú)法分割，卻存在許多不可思議的“特異功能”。

比如，快是量子的一大特色。兩個(gè)量子間的信息傳播速度，竟然可以達(dá)到光速的一萬(wàn)倍！這是什么概念？太陽(yáng)與地球的距離大約為1.5億千米，一束太陽(yáng)光照射到地球表面需要大約8.3分鐘，而這么長(zhǎng)的距離，兩個(gè)量子間的信息傳播只需0.048秒。愛(ài)因斯坦他老人家生前怎么也不信世上還有比光速更快的速度，但量子這匹速度界的黑馬，終于還是被后世的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了。

量子還有一項(xiàng)“特異功能”，那就是不可測(cè)量。它非常頑皮，一直處于飛速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果科學(xué)家用工具控制它、非要它停下來(lái)對(duì)它進(jìn)行觀察和測(cè)量，它就會(huì)改變?cè)瓉?lái)的屬性——這一招式可形容為“魚(yú)死網(wǎng)破”“同歸于盡”。你不是要觀察我嗎？好呀，來(lái)吧，反正我已經(jīng)不是原來(lái)的我了！

量子的這些“特異功能”，讓科學(xué)家們看到了量子通信的無(wú)量前途——幾乎零損耗、零延時(shí)的超快速度；絕佳的保密性能——光是這兩點(diǎn)，就足以將傳統(tǒng)通信秒殺。

近二十多年來(lái)，在各國(guó)科學(xué)家的共同努力下，量子通信技術(shù)已取得了多項(xiàng)突破性進(jìn)展。而“墨子號(hào)”成功發(fā)射后，將借助衛(wèi)星平臺(tái)，進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。它是空間量子通信實(shí)用化的一次重大嘗試。如果實(shí)驗(yàn)成功，人類(lèi)又向量子通信時(shí)代邁進(jìn)了一大步。

不可破解的量子密鑰

在通信領(lǐng)域，“密鑰”一詞司空見(jiàn)慣。顧名思義，“密鑰”就是“秘密的鑰匙”，它是在明文轉(zhuǎn)換為密文或?qū)⒚芪霓D(zhuǎn)換為明文的算法中輸入的參數(shù)。然而“一物克一物”，容易受黑客威脅是密鑰的死穴。盡管密鑰經(jīng)歷了人工加密、機(jī)械編碼、計(jì)算機(jī)編碼的不斷更新迭代，但“棱鏡門(mén)”“蘋(píng)果門(mén)”事件，足以暴露現(xiàn)有密鑰的不安全性。

那么，世界上究竟有沒(méi)有一把誰(shuí)都無(wú)法破解的密鑰呢？

有！它就是量子密鑰。

量子密鑰，是量子通信坐上通信“霸主”交椅的關(guān)鍵性技術(shù)之一。與傳統(tǒng)密鑰相比，量子密鑰的不二法門(mén)，就是將數(shù)字密碼儲(chǔ)存到特殊的量子信息中，并在量子線路中傳輸。由于量子具有不可被測(cè)量的“天性”，當(dāng)黑客想暗中破解包含在量子中的密碼時(shí)，被改變的量子會(huì)立刻做出反應(yīng)，將它所包含的信息全部自動(dòng)清空！這么一來(lái)，黑客們就跟一個(gè)費(fèi)勁撬開(kāi)門(mén)，然后發(fā)現(xiàn)屋子里空無(wú)一物的小偷一樣，最終一無(wú)所獲。

我們可以展望，在不久的未來(lái)，人們的手機(jī)、電腦等通信移動(dòng)設(shè)備都將帶有“量子密鑰”，因此不必再擔(dān)心通話被竊聽(tīng)、移動(dòng)設(shè)備內(nèi)信息被盜。哪怕手機(jī)和電腦丟失，也不會(huì)再有泄密的隱患。而那時(shí)的“黑客”，恐怕將成為世界上最不景氣的一個(gè)職業(yè)——想窺探信息？問(wèn)問(wèn)“量子”同不同意！

飛一般的量子通信網(wǎng)絡(luò)

量子通信想要成為通信界的奧運(yùn)全能健兒，做到信息傳播上的“更高、更快、更強(qiáng)”，還得有另一把“刷子”：量子糾纏。

量子糾纏，是量子間的一種神奇的關(guān)系，理論上，有共同來(lái)源的兩個(gè)量子，無(wú)論它們被分隔多遠(yuǎn)，哪怕隔著一個(gè)太陽(yáng)系，只要一個(gè)量子發(fā)生變化，另一個(gè)量子就會(huì)立刻感應(yīng)到，并且發(fā)生相應(yīng)變化。量子間這種完全沒(méi)有隔膜、千山萬(wàn)水也阻隔不斷的“心靈感應(yīng)”，證實(shí)了宇宙空間里愛(ài)因斯坦所稱(chēng)的“幽靈般的超距離作用”，同時(shí)，它引起了科學(xué)家們的無(wú)限遐想：依賴(lài)量子糾纏，在未來(lái)世界，我們是否就可以實(shí)現(xiàn)星系間的信息傳播呢？

盡管要實(shí)現(xiàn)跨星系的通信目前看來(lái)還“路漫漫其修遠(yuǎn)兮”，但在地球上實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，卻是近在眼前的事了。目前，中國(guó)已建立南、北、西多處近地空間科學(xué)衛(wèi)星接收站，并已規(guī)劃將在2020年，實(shí)現(xiàn)亞洲和歐洲之間的洲際量子密鑰分發(fā)。在2030年，建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

如果這一切都能順利進(jìn)展，量子通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)代將不再是夢(mèng)。到時(shí)候，人人都能體驗(yàn)飛一般的網(wǎng)速，網(wǎng)絡(luò)卡殼的時(shí)代將一去不復(fù)返。

量子芯片，讓VR時(shí)代不是夢(mèng)

你是否想過(guò)，有朝一日只要戴上一副小巧的眼鏡，就會(huì)想去哪里就去哪里，哪怕是穿越時(shí)空去到侏羅紀(jì)公園？

你是否想過(guò)，當(dāng)你想念出差的爸爸媽媽時(shí)，只要用手在空中輕輕一劃，他們就會(huì)立刻出現(xiàn)在你面前？

你是否想過(guò)，從未來(lái)的某一天起你再也不用為感冒、發(fā)燒而跑醫(yī)院，一個(gè)可以隨身攜帶的私人醫(yī)生可以時(shí)刻照顧你的健康，一旦你的身體出現(xiàn)問(wèn)題，它就會(huì)立即幫你修復(fù)？這不是白日做夢(mèng)。對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)，科技一向是現(xiàn)實(shí)通向想象的階梯。只要我們能成功研發(fā)出高速度、高儲(chǔ)存、高智能的量子芯片，以上種種幻想都可能變成現(xiàn)實(shí)。

“量子芯片”，顧名思義，是應(yīng)用了量子技術(shù)的信息儲(chǔ)存設(shè)備。目前，科學(xué)家正在研究將石墨烯量子應(yīng)用到電腦芯片中，一旦實(shí)驗(yàn)成功，擁有“量子大腦”的未來(lái)計(jì)算機(jī)，其運(yùn)行速度有望達(dá)到目前的數(shù)萬(wàn)億倍！到時(shí)候，別說(shuō)現(xiàn)在的傳統(tǒng)電腦在量子電腦跟前要被秒殺，就是人腦，恐怕也要甘拜下風(fēng)了。

量子芯片的應(yīng)用，還使VR時(shí)代的到來(lái)變得可能。VR就是虛擬現(xiàn)實(shí)。要實(shí)現(xiàn)完美的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，計(jì)算機(jī)必須每秒處理高達(dá)5.2Gbit的數(shù)據(jù)量，時(shí)延要低于20ms，而目前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和硬件設(shè)備，并不足以支撐完美的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。可是，當(dāng)超快無(wú)損的量子通信網(wǎng)絡(luò)和量子芯片成為現(xiàn)實(shí)，那么，VR時(shí)代很快就會(huì)到來(lái)！

如果再配上4DVR眼鏡，那就更是妙不可言了！到時(shí)，人們可以看到任何想看到的，可以足不出戶(hù)游遍世界各地；可以隨時(shí)隨地觀看精彩的球賽，感覺(jué)就跟坐在比賽現(xiàn)場(chǎng)一樣；甚至還可以伸出手去撫摸眼前可愛(ài)的小狗——當(dāng)然，它不會(huì)咬你，也不會(huì)被你抱起來(lái)，因?yàn)樗翘摂M的。

而當(dāng)量子芯片遇上生物科技，它們還將碰撞出一朵名叫“量子生物芯片”的火花，它將通過(guò)芯片頻率轉(zhuǎn)換，發(fā)射與人體生物電相協(xié)調(diào)的無(wú)線電，利用頻率共振原理，與人體生物電發(fā)生和諧共振，促進(jìn)人體的氧氣補(bǔ)給、養(yǎng)分供應(yīng)、毒素外排，并且?guī)椭梭w實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和各個(gè)系統(tǒng)的自我修復(fù)。

盡管量子通信、量子芯片等技術(shù)目前還不夠成熟，從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用仍有待時(shí)日，但我們有理由相信，一個(gè)全新的、更智能、更快捷、更安全、更健康的量子時(shí)代，正在一步步向我們走來(lái)！