分析方法
“原子”或“以太”;“球量子”與“環(huán)量子”概念”。薛曉舟教授介紹的情況,古希臘留基伯認(rèn)為,“原子”或“以太”和“虛空”是萬(wàn)物之源,這實(shí)際是個(gè)“非對(duì)易代數(shù)”類(lèi)似的“量子理論”。即如果把不可分割的“原子”或“以太”看成是實(shí)數(shù),“虛空”看成是虛數(shù),實(shí)數(shù)與虛數(shù)存在有不可對(duì)易性。這里,“非對(duì)易”可近似理解為“非對(duì)應(yīng)”。彭羅斯認(rèn)為“非對(duì)應(yīng)”最終含有“不可計(jì)算性。 liqichuan先生所說(shuō):“來(lái)源于我們所處的空間為三維的模式,球狀正是這樣一個(gè)空間最好的體現(xiàn),而環(huán)狀量子卻違背了這樣一個(gè)空間的基底”。也正是如此,現(xiàn)代科學(xué)才建立了以“球量子”為精神領(lǐng)袖的強(qiáng)大而十分鞏固的“政權(quán)”。也許liqichuan(李奇?zhèn)鳎┫壬f(shuō)的“復(fù)辟”,就是指會(huì)動(dòng)搖以“球量子”為精神領(lǐng)袖的強(qiáng)大而十分鞏固的“科學(xué)政權(quán)”的理論研究。在近代科學(xué)中引出的負(fù)數(shù)開(kāi)平方,如所謂“扭量從開(kāi)根號(hào)”,就是有人說(shuō)的:“-1可以開(kāi)根號(hào)得到復(fù)數(shù),而微分算子可以開(kāi)根號(hào)得到旋量。復(fù)數(shù)不能比較大小。但量子力學(xué)的波函數(shù)是復(fù)數(shù)的,描述粒子具有自旋,而廣義相對(duì)論一直用世界線來(lái)描述粒子,于是相對(duì)論有一個(gè)基本的問(wèn)題是,世界線體現(xiàn)出粒子的自旋,即?!边@無(wú)疑是對(duì)以“球量子”為精神領(lǐng)袖的強(qiáng)大而十分鞏固的“科學(xué)政權(quán)”不利,所以liqichuan先生才說(shuō)出“把數(shù)作為宇宙的根本則是畢達(dá)哥拉斯派的復(fù)辟”的話。他的解釋是:“復(fù)數(shù)和復(fù)數(shù)方程是物理學(xué)中在處理復(fù)雜問(wèn)題時(shí)所經(jīng)常用到的數(shù)學(xué)手段,但討論到具體問(wèn)題時(shí)則采用實(shí)數(shù)解,因?yàn)橹挥袑?shí)數(shù)解才與觀測(cè)符合”。這個(gè)解釋不正確,因?yàn)轭?lèi)似牛頓力學(xué)體系方程、麥克斯韋電磁力學(xué)體系方程、愛(ài)因斯坦相對(duì)論力學(xué)體系方程、薛定諤量子力學(xué)波動(dòng)方程等絕大多數(shù)物理學(xué)方程的數(shù)學(xué)手段,都沒(méi)有解決好復(fù)雜的時(shí)間箭頭問(wèn)題,所以用這種處理辦法才是可取的。例如愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論,就是舍棄取虛數(shù)解的辦法而使計(jì)算具有簡(jiǎn)單性;相反,崔珺達(dá)教授的復(fù)合時(shí)空量子理論,則把愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論舍棄的虛數(shù)解撿拾起來(lái),但對(duì)時(shí)間箭頭問(wèn)題并沒(méi)有解決,反而把簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)手段弄復(fù)雜化了。 聽(tīng)起來(lái),這并不像是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn):位于北京八達(dá)嶺長(zhǎng)城腳下的送信者,要向站在河北省張家口市懷來(lái)縣的收信者發(fā)出一段信息。這段距離僅有16公里,在晴朗的白天,他們彼此甚至目力可及。只是,這并不是一封信、手機(jī)短信或電子郵件,而是好像“時(shí)鐘指針”一樣表示著量子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子態(tài)。 這已經(jīng)是量子態(tài)目前在世界上跑出的最長(zhǎng)距離。6月1日,世界頂級(jí)科學(xué)刊物《自然》雜志的子刊《自然·光子學(xué)》以封面論文的形式,刊登了這項(xiàng)成果:一個(gè)量子態(tài)在八達(dá)嶺消失后,在并沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何載體的情況下,瞬間出現(xiàn)在了16公里以外。實(shí)驗(yàn)的名稱(chēng)叫做自由空間量子隱形傳態(tài),由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與清華大學(xué)組成的聯(lián)合小組完成。
美國(guó)國(guó)際科技信息網(wǎng)站盛贊,這一成果代表著量子通信應(yīng)用的巨大飛躍。 量子通信應(yīng)用
這確實(shí)是一個(gè)難以令人理解的研究領(lǐng)域,面對(duì)抱著巨大好奇心的公眾,研究者不禁感到苦惱,“想要給大家都講明白實(shí)在是一件痛苦的事”。 早在3年前,中科大前校長(zhǎng)朱清時(shí)院士在形容負(fù)責(zé)組建聯(lián)合小組的中科大教授潘建偉時(shí)也聲稱(chēng),潘在量子通信領(lǐng)域的工作“對(duì)于一般人來(lái)說(shuō)是難以理解的”,“不然會(huì)感到更強(qiáng)的震撼力”。 一切還要從量子說(shuō)起。量子是不可分的最小能量單位,“光量子”就是光的最小單位。 在奇特的量子世界里,量子存在一種奇妙的“糾纏”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。中科大量子信息實(shí)驗(yàn)室教授彭承志愿意將一對(duì)糾纏狀態(tài)下的光子比作有著“心電感應(yīng)”的兩個(gè)粒子。再用個(gè)更貼切的比喻,糾纏光子就好像一對(duì)“心有靈犀”的骰子,甲乙兩人身處兩地,分別各拿其中一個(gè)骰子,甲隨意擲一下骰子是5 點(diǎn),與此同時(shí),乙手中的骰子會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到5點(diǎn)。 事實(shí)上,乙甚至根本不需要知道也不能查看自己手中究竟握著幾點(diǎn)。因?yàn)樵谖锢韺W(xué)上,每一次對(duì)糾纏光子的測(cè)量都會(huì)破壞原有的狀態(tài),“就像冰淇淋,你必須嘗一口才知道它的味道。但當(dāng)你嘗了一口時(shí),冰淇淋就已經(jīng)發(fā)生改變?!币粋€(gè)專(zhuān)業(yè)人士這樣解釋。
因此,甲只需要通過(guò)電話、短信等渠道告訴乙,自己剛剛擲出了5點(diǎn)。乙即便不用攤開(kāi)手掌,也可以知道自己手邊這個(gè)“心電感應(yīng)”的骰子也成了5點(diǎn)。
這聽(tīng)起來(lái)就像一場(chǎng)魔術(shù)表演。只是,甲和乙之間傳送的只是類(lèi)似“轉(zhuǎn)成5點(diǎn)”之類(lèi)的信息,而不是實(shí)物。
隱形傳輸距離
這段16公里的旅程創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄,這是目前這個(gè)星球中量子態(tài)在自由空間中所能隱形傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。 事實(shí)上,在量子態(tài)隱形傳輸經(jīng)歷的漫長(zhǎng)旅程中,每一點(diǎn)距離的進(jìn)步都可以被視為一座里程碑。1997年年底,位于奧地利的蔡林格研究小組首次在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上幾米的距離內(nèi)成功地進(jìn)行了這一實(shí)驗(yàn)。
雖然當(dāng)時(shí)的傳輸距離僅達(dá)數(shù)米,但美國(guó)《科學(xué)》雜志卻將其列為該年度全球十大科技進(jìn)展。《科學(xué)》雜志的評(píng)語(yǔ)是:“盡管想要看到《星際旅行》中‘發(fā)送我吧’這樣的場(chǎng)景,我們還得等上一些年,但量子態(tài)隱形傳輸這項(xiàng)發(fā)現(xiàn),預(yù)示著我們將進(jìn)入由具有不可思議的能力的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展而帶來(lái)的新時(shí)代。” 科幻電影《星際旅行》至今仍在科幻娛樂(lè)史上排名榜首。它講述了人類(lèi)的夢(mèng)想:宇航員在特殊裝置中平靜地說(shuō)一句,“發(fā)送我吧,蘇格蘭人”,他就會(huì)瞬間轉(zhuǎn)移到外星球。在經(jīng)典游戲“暗黑破壞神”中,女巫角色的技能是“瞬間轉(zhuǎn)移”。只要施展這個(gè)魔法,女巫就會(huì)伴著一道閃光消失,并出現(xiàn)在任意一個(gè)想去的地方。 “這種現(xiàn)象,與量子態(tài)隱形傳輸很類(lèi)似。”一位聯(lián)合小組成員謹(jǐn)慎地選擇著用詞。當(dāng)然,它們并不相同。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,被傳輸?shù)氖切畔⒍⒎菍?shí)物。 1999年,奧地利蔡林格研究小組的論文又與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論等重大研究成果一起,被英國(guó)《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。當(dāng)時(shí)26歲的年輕人潘建偉正在奧地利維也納大學(xué)跟著蔡林格教授學(xué)習(xí)量子技術(shù),他的名字也在小組名單中。 不過(guò)接下來(lái),發(fā)展并不算順利。直到2004年,蔡林格小組才利用多瑙河底的光纖信道,將量子隱形傳態(tài)距離提高到600米。 這次中國(guó)的實(shí)驗(yàn)在技術(shù)上有了重大創(chuàng)新,光子在傳播過(guò)程中會(huì)因偏振而引起變化,聯(lián)合小組的科學(xué)家們對(duì)此進(jìn)行了“正反饋”,即用簡(jiǎn)單的光學(xué)器械控制住光子的偏振態(tài),使這次實(shí)驗(yàn)的保真度最終達(dá)到了89%。也就是說(shuō),“盡管不能正確無(wú)誤地發(fā)送每一個(gè)碼,但信息是可以傳送的”。 “如果地點(diǎn)允許,我們本來(lái)希望能達(dá)到20公里?!甭?lián)合小組成員、清華大學(xué)物理系副研究員蔣碩覺(jué)得很遺憾。他在一間窗臺(tái)上生長(zhǎng)著翠綠爬藤的辦公室里接受了記者的采訪。 隨著高度增加,空氣也會(huì)變得更加稀薄。所以,地表10公里的空氣密度,基本相當(dāng)于從地球到外層空間幾十公里距離的空氣密度?!?0 公里的傳送距離,就表明光子可以在地表與外層空間衛(wèi)星間打一個(gè)來(lái)回?!边@也就意味著量子信息可以通過(guò)衛(wèi)星在不同地區(qū),甚至國(guó)家間傳遞。 可在野外實(shí)驗(yàn),狀況卻無(wú)法保證同實(shí)驗(yàn)室里一樣理想而精確。最終,因?yàn)槲恢帽憷?,研究者們將“秘密基地”分別設(shè)在八達(dá)嶺長(zhǎng)城腳下與河北懷來(lái)的兩家小旅館,地理距離16公里。 為了用激光為量子態(tài)傳輸打出一個(gè)光鏈路,他們的實(shí)驗(yàn)大多在其他人沉入夢(mèng)鄉(xiāng)的夜晚進(jìn)行。光鏈路是為了幫助隨后分發(fā)的光量子“探路”。那些已經(jīng)睡著了的人并不知道,這群在半夜里還擺弄著有點(diǎn)嚇人的綠色激光的年輕人,也正在實(shí)現(xiàn)這個(gè)世界全新的通信夢(mèng)想。 “盡管我們只傳送了16公里,但這在科學(xué)上證明了量子信息的遠(yuǎn)距離傳輸是可行的,也意味著量子信息通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行傳遞有可能實(shí)現(xiàn)?!笔Y碩說(shuō)。 量子計(jì)算機(jī)
這些站在科學(xué)領(lǐng)域最前沿的中國(guó)物理學(xué)家明白,進(jìn)行量子通信研究,除了能夠?qū)崿F(xiàn)隱形傳態(tài)這種奇妙的物理現(xiàn)象以外,還能夠?qū)崿F(xiàn)更重要的使命,那就是防御一種“還未出現(xiàn)的威脅”。
威脅來(lái)自尚未被成功發(fā)明的量子計(jì)算機(jī)。早在上個(gè)世紀(jì),科學(xué)家們就已經(jīng)開(kāi)始設(shè)想,用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象,從而大幅度減少運(yùn)算時(shí)間。如果將未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)比作大學(xué)教授,今天所謂超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力甚至還比不上剛上幼兒園的小班兒童。 你可以想象這樣一個(gè)驚人的對(duì)比:現(xiàn)在對(duì)一個(gè)500位的阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行因子分解,目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)將耗時(shí)上百億年,而量子計(jì)算機(jī)卻只需大約幾分鐘。
“一旦哪個(gè)瘋子發(fā)明出來(lái)量子計(jì)算機(jī),他就可以攻破所有的密碼。”蔣碩指出了這個(gè)可怕的威脅。事實(shí)上,現(xiàn)在通用的加密方式并非如想象般安全,它們都有破譯的方法,只不過(guò)由于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力的限制,破譯一個(gè)密鑰可能要耗費(fèi)上萬(wàn)年,甚至上百萬(wàn)年。
如果量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn),我們目前自以為安全的一切將不堪一擊。那將是一個(gè)超級(jí)神偷,可以偷走現(xiàn)代文明中人們賴(lài)以生存的一切——銀行存款、網(wǎng)絡(luò)信息。它也足夠沖破軍事或安全系統(tǒng),調(diào)轉(zhuǎn)導(dǎo)彈的軌道,令整個(gè)國(guó)家陷入混亂與災(zāi)難。因此,沒(méi)有人敢懈怠,“這并不是一項(xiàng)杞人憂天的研究。所有的防御必須出現(xiàn)在進(jìn)攻之前?!泵绹?guó)科學(xué)家的預(yù)言就像一個(gè)倒計(jì)時(shí)牌,“量子計(jì)算機(jī)可能將在50年之后出現(xiàn)。” 因此,“只有采用量子信息才是安全的,必須占據(jù)先機(jī)?!边@樣一切“竊聽(tīng)手段”將失去原有的意義。如果一個(gè)間諜想要收集情報(bào),他必須竊取發(fā)送途徑中的光子,經(jīng)過(guò)測(cè)量后再次傳給接收者。但因?yàn)楣庾訉?duì)的糾纏特性,這樣的竊取就會(huì)被發(fā)現(xiàn),“就像被嘗過(guò)的冰淇淋一樣”。
當(dāng)然,眼下這只是一場(chǎng)看不見(jiàn)對(duì)手的戰(zhàn)爭(zhēng)?!叭绻麤](méi)有量子計(jì)算機(jī)這支矛,量子信息這面盾就發(fā)揮不出作用。”蔣碩說(shuō)。他同時(shí)也認(rèn)為,即便技術(shù)成熟,“如果量子計(jì)算機(jī)沒(méi)有出現(xiàn),并沒(méi)必要進(jìn)行大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)換代”。
然而,這篇論文發(fā)表后,蜂擁而至的報(bào)道和議論卻讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),公眾似乎誤解了自由空間量子隱形傳態(tài)的真正意義,“很多人都認(rèn)為,這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功代表著超時(shí)空穿越可能實(shí)現(xiàn)?!?/span>
顯然,能夠傳遞一組信息并不意味著已經(jīng)可以傳遞實(shí)物?!拔覀儗?duì)世界的了解仍然不夠透徹?!币晃谎芯空哒f(shuō)??茖W(xué)家們現(xiàn)在還不知道應(yīng)該如何通過(guò)隱形傳輸?shù)姆绞絺魉蛯?shí)物,“我們?cè)?jīng)以為世界上最小的是原子,可是后來(lái)發(fā)現(xiàn)原來(lái)里面還有質(zhì)子和中子。然而,沒(méi)有人知道質(zhì)子和中子是否還能被繼續(xù)拆分。更何況想要傳送一個(gè)生命體,又該如何處理他復(fù)雜的腦電活動(dòng)呢?”
“目前我們實(shí)現(xiàn)的僅僅是單光子量子態(tài)的隱形傳輸,在未來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜量子系統(tǒng)的量子態(tài)隱形傳輸,但距離宏觀物體的量子態(tài)隱形傳輸還具有非常遙遠(yuǎn)的距離?!迸沓兄菊f(shuō)。
也許,正是“非常遙遠(yuǎn)的距離”帶給了人們遐想。畢竟,曾經(jīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上量子態(tài)只能前行幾米,而今,它已經(jīng)可以穿越16公里。將來(lái),它還可能在星球之間傳遞。
“科技發(fā)展的速度有多快誰(shuí)能知道呢?”一位參加這項(xiàng)研究的科學(xué)家說(shuō),“就好像打算盤(pán)時(shí)的人們永遠(yuǎn)想不到,在不久的將來(lái),人類(lèi)發(fā)明出了每秒運(yùn)行幾千億次的電子計(jì)算機(jī)?!?/span>