量子是光子、質子、中子、電子、介子等基本粒子的統稱,是目前物理世界已知的最小基本微粒。日常生活中無處不在的光就由大量光量子組成。在量子力學中,科學家聚焦的是:在單個原子或次原子粒子尺度上,物質與能量的行為和相互作用。相較于宏觀物理世界,量子有很多奇妙特性,諸如量子疊加和量子糾纏。其中,對通信最重要的影響是“量子糾纏”。量子信息學是量子力學與信息科學相結合的產物,它包括量子密碼、量子通信、量子計算機等,近年來,在理論和實驗上都取得了重大突破。

20世紀90年代,物理學家在理論上證明,對微觀世界的物體而言,借助神奇的“量子糾纏”,可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點,而不用傳送物質本身。將量子力學理論和信息技術結合,通過對光子、原子等微觀粒子的精確操縱,信息編碼、存儲、傳輸等處理方式將會發生革命性變革。

由于一個量子單元的行為能瞬間影響另一個量子單元,從而改變被測量物質的狀態,這一特性意味著,不可能實現對一個未知量子單元的精確復制。基于這一原理,科學家提出了量子密碼的概念,也就是用具有量子態的物質作為密碼。

量子密碼是應用量子糾纏效應來進行信息的保密性傳輸,它的優點在于:不必在密碼編輯上勞神費力,甚至根本不用常規密碼,直接把信息以糾纏態方式發送,即可完美保密。原因是,當黑客闖入傳輸網絡,光子束會出現紊亂,每個節點的探測器都會指出錯誤等級的增加,從而發出受干擾警報;發送與接收雙方也會隨機選取比較,全部匹配才會確認信息沒有被竊聽。這樣一來,黑客就無法不留痕跡地闖入一個量子系統,甚至連嘗試解碼這一舉動,都會導致量子密碼系統改變原有狀態。當然,即便有黑客成功攔截獲得了一組密碼信息的解碼鑰匙,也僅是亂碼信息,而在完成這一舉動的同時,也導致了密鑰的變化。當合法的信息接收者檢查鑰匙時,則可以從量子態的改變中知道密碼曾被截取過,一旦發現破綻,就會馬上更換新的密鑰。

量子密碼的出現使密鑰的安全性產生了全新變化。將量子密碼應用于量子通信系統中,就成了量子保密通信。隨著量子通信技術產業化和廣域量子通信網絡的實現,用不了太多時日,量子保密通信作為保障信息社會通信安全的關鍵技術,將會走向大規模應用——廣泛應用于政治、經濟、科技、金融等重要領域,為信息化社會提供基礎的保密服務和最可靠的安全保障。

除了安全保密外,“神速”也是量子通信的另一大優勢。傳統通信的算法基礎是0或1,而量子通信是量子單元,不僅含有0或1,還有0和1共存的狀態,所有單元可同時完成邏輯運算,同時完成多重任務。量子計算機的這一特性,注定了量子通信的速度將比現在的通信速度大大提高。例如,4G網絡延遲時間為50毫秒,無線電信號從火星傳到地球要延遲十幾分鐘。而采用量子通信技術,不受傳輸距離影響,可消除延遲現象,實現“即時”通信。在未來,量子通信即時溝通的優勢將大有用武之地。

顯而易見,量子特性在信息領域中有著獨特功用,在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面,將突破現有信息系統的極限。量子通信可以從根本上杜絕竊密,確保信息安全,并能夠極大提高信息處理速度。量子通信大規模推廣應用后,“量子互聯網”將順理成章取代現如今的互聯網。

而量子信息技術實用化的難點在于,對多粒子糾纏的操縱,這也是量子信息處理的核心物理資源。科學研究證明,要實現有實用價值的量子模擬機和量子計算機的基本功能,起碼要實現幾十到上百個量子比特的糾纏。目前,科學家僅能一次性將12種粒子糾纏起來;而量子計算機要實現商業化應用,至少需要將這一數字增加數十甚至上百倍。看來,量子通信的階段性成果觸手可及,而有決定性意義的成果還需再接再厲!

當然,量子理論的應用遠超計算和通信領域,量子科學帶來無限可能。正如愛因斯坦所說:“我們現在所看到的只是一個尚未完全理解的真正實體的局部。”通過量子理論,人類將有機會在微觀和宏觀世界之間架設橋梁。

總之,利用量子理論來變革信息技術,有望實現對信息處理能力的革命性突破,量子計算機和量子通信不只存在于科幻小說中,而是越來越接近現實世界。量子科技在推動人類社會文明進步方面將發揮顛覆性作用,要進一步創新技術和變革理念,以更好地操控多粒子糾纏,進而推動量子產業發展壯大。(本文來源:經濟日報 作者:陳慶修)