今年7月,中国科学家宣布他们利用宇宙的一种“幽灵般的”性质,首次实现了地面与太空之间的远距离传送。

这并非人或者物的瞬间转移,而只是停留在粒子层面——如光粒子——传送依据量子力学进行,该试验就是对量子力学的证明。

虽然理论早已提出,但此次试验仍然具有重要意义:此次量子隐形传输的距离达到870英里(约1400千米),几乎是之前所有记录的八倍。此外,不仅有一位研究人员表示,把光子发射到卫星是一个巨大的进步,由此研发出来的技术可以颠覆我们当代的生活。

在康奈尔大学研究量子力学的物理学家J.C.谢默斯·戴维斯(J.C. Séamus Davis)表示,这一最新研究成果“具有深远意义”,因为全面的“量子互联网”可能在这一基础上得以形成。一旦形成,我们现有的万维网就会被淘汰。

“量子互联网不仅在速度上会有极大的提升,还能避免私人信息被窃取,因此安全上也更加有保障”戴维斯如是告诉《商业内幕》的记者,“使用这种网络,根本无法秘密地进行窃听活动。”

今年7月4日,中国各研究院有近三分之二的科研人员向学术论文预印本网站Arxiv提交了最新研究的论文。虽然这一研究还没有经过同行评议,但在此之前,《科学杂志》在6月15日发表的一篇论文也使用了墨子号量子科学实验卫星。

戴维斯还不能确定量子互联网何时才能上线,以及使用它的潜在后果。他认为,量子互联网可能会和20世纪80年代初互联网刚刚兴起时一样,但是会产生更大的影响力。

互联网兴起之初激起了人们的好奇心,有时甚至使人们陷入一种矛盾的心理状态。但是它却开启了十年之久的创新,当时的秩序逐渐被打破,重塑了我们当代的生活。全面的公共量子互联网也会带来类似的改变。

“量子物理会带来一系列的科技创新:量子互联网、量子信息技术、量子计算机、量子密码学”戴维斯(他并没有参加这项研究)称,“这些技术会纷至沓来,30年到50年以后,世界的运转将由它们主宰。这就是为什么我觉得这篇论文非常有意义。”

利用量子隐形传输的怪异特性

1992年,科研人员在数学上证明了量子传输的可能性,并在1998年使用光子进行试验,证明了这一推测。此后,全世界的科学家们都重新研究这一成果,或在此基础上进一步研究。

量子隐形传输和《星际迷航》中的传送不同,不能将人扫描后在宇宙中另一个地方完美的复制出来。它利用的是两个粒子之间的纠缠状态。两个粒子形成纠缠态以后,再将其分开。只要量子态保持稳定,分开后的粒子仍然保持关联。

量子纠缠可以将两个粒子的状态捆绑起来,如自旋或极化,但是粒子态相对模糊或奇怪,物理上称之为“叠加状态”。“两个粒子形成纠缠态以后,它们应同时处于上旋或下旋的状态,但在被观测时,则总是表现为一个朝上,另一个朝下的状态”。

“这个状态非常奇怪,就是死猫状态和活猫状态的混合体”戴维斯称。

但如果直接对一个粒子做测量(或者推力大一点),它的状态就会显现出来,另一个粒子便会立即显现出相反的状态。两个粒子就好像是在同一时间、同一地点存在的一个粒子。不管它们距离多远,两个粒子总是能“传输”给彼此相反的状态,而且传输速度比光速还快。

爱因斯坦认为量子纠缠实属荒谬,将其称作“幽灵般的超距离作用”。

“爱因斯言并没有接受这种现象”戴维斯称,“他在生命结束以前都没有接受这一事实,但无数次事实已经充分证明了它的存在。”

光子、原子等粒子能够形成纠缠状态,并把状态传输被彼此,其方式和原因不得而知。在极小的层面上,宇宙法则似乎会有违于我们生活的常理,其中一些甚至是矛盾的、不合乎逻辑的。例如在量子力学领域,不是所有的结果都有原因,有时结果出现在原因之前(“这并不是我捏造的”戴维斯称)。

戴维斯还说,我们无法理解量子力学中的一些现象是很正常的,因为“我们并不是生来就要懂得”那些理论及其有违常理的现象。

“但我们在20世纪20年代开始的推测是完全正确的”他说,“这是人类历史上最成功的科学理论。”

几十年如一日的推测和实验始终没能实现从地面到轨道的量子隐形传输。直到现在这一空白终于填补上了。戴维斯认为此次试验将会打破传统的规则。

为什么以及如何将量子传输到太空

Image: Shuttershock

想要将量子传输到太空是因为分离量子纠缠的传统方式存在问题。我们习惯上使用的是光纤,互联网在一定程度上也依赖的是光纤。

铺设光纤的成本高、耗时长。而且,光缆越长,其传输的信息就会越失真,量子纠缠也更容易被破坏。即使用激光发射纠缠粒子,在达到一定距离后也会失去作用。大气干扰也会破坏量子纠缠。

“为了解决这个问题,一个比较好的方法就是探索卫星平台和基于外太空的网络”,因为太空基本上是空的,不太会干扰量子纠缠,研究作者写道,“该研究首次建立了地面到太空的联系,可用于进行超远距离量子隐形传输,传输信息保真。这是推进全球量子互联网形成的关键一步。”

为确保此次试验能够成功,科研人员使用的是位于西藏阿里的地面站。地面站纬度较高,与墨子号卫星之间的空气量达到了最少。墨子号卫星于2016年发射,装有非常敏感的光子探测器。此次试验进一步证明,纠缠粒子可以完好地发射到外太空。

为实现粒子纠缠,科研人员使用一种特殊的晶体材料,向其发射紫外线激光,从而产生相反的极化态光子,但是一对粒子分别属于哪一极尚不可知。(极化与偏光太阳镜通过过滤太阳光从而提高对比度的原理相类似)这样做可以产生叫做量子比特的物质。

镜面将激光束分成两半,也将纠缠状态下的光子对分开。该试验以每秒4080对的速度制造出光子对,然后将一个光子留在地面,另一个光子发射到墨子号卫星。

工程师采取了各种防范措施,以保证卫星可以在适当的时间检测到纠缠的光子对,保持地面站有较强的信号。

例如,挡住月球的光,跟踪多颗恒星以确定其在轨道中的准确位置,保持低温操作——因为温暖的物体会释放出红外光——并保证墨子号每晚在同一时间路过近地端。精准的计时器也可以与设备保持同步,从而预测出每个离开路面站地的粒子何时可以到达卫星。

卫星在远地端飞行时距离地面站870英里,在近地端飞行时则只有310英里。

科学家观测,经过约32个夜晚,共有911对光子能够进行量子传输。对于发射出去的数百万光子对来说,这一数字不算多,但这仍然是一个巨大的突破。

如果使用光纤做类似的实验,“我们推测还要等3800亿年(宇宙年龄的20倍)才能见证这一成果”研究作者写道。

未完成的工作

但是形成公共量子互联网,并使之运行起来就没有推算数字那么简单了。

虽然目前已建立起一些小型的量子网络,但它们使用的都是光纤,不是卫星,而且还要借助传统的计算机才能保证速度和安全。

要建成全球的量子互联网,中国及其他实体必须想办法提高量子互联网信号的保真度。我们还需要价格合理、可靠并且有商业价值的量子计算机和量子路由器,才能充分发挥量子互联网的速度和安全性能。

就安全而言,必须有人研究出“量子密钥”,保证量子比特可以安全地来往于外太空。量子密钥将淘汰其他所有形式的密钥,因为它是在自然形态下随机产生的,所以无法被攻破。(如果窃听量子加密的数据,量子纠缠就会遭到破坏,从而自动报错。)

戴维斯认为,这些技术还要等很多年才能实现。一旦形成,所有人都会从中受益,不只是我们的全球公共网络会得到改善。

“我们现在所做的一切都会越来越好”他说,“笔记本电脑的速度会更快,在Netflix上下载会更快,原本用10个小时下载的内容可能10秒钟就可以完成。世界上每家医院都可能有你完整的病历,而且也非常安全。”

更重要的是——“每趟航班,航空公司卖出的机票都能和座位数是一致的。”

作者:
Dave Mosher, Business Insider 科技通讯员
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