粒子如何在保持一種稱為“量子糾纏”的神秘狀態(tài)下完成遠距離通信

在全球?qū)W術(shù)界，Science系列期刊是兼具重要影響力、高度權(quán)威性的重要學(xué)術(shù)刊物，而作為 Science 系列期刊出版方，美國科學(xué)促進會（AAAS）則是世界上最大的多學(xué)科科學(xué)協(xié)會，致力于推動全球科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新。

AAAS 于 1923 年開始設(shè)立克利夫蘭獎，也是其最悠久的獎項。當?shù)貢r間２月１４日晚間，AAAS 在 2019 年年會上，史無前例地將 2018 年的克利夫蘭獎頒給了一支 34 人的中國團隊——由潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的中國“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星團隊，以表彰該團隊實現(xiàn)千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)。

圖丨 AAAS 將 2018 年度紐科姆·克利夫蘭獎獎?wù)陆坏街袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星量子糾纏源分系統(tǒng)主任設(shè)計師印娟手中（來源：CGTN）

今年的獲獎?wù)撐模枋隽肆Ｗ尤绾卧诒３忠环N稱為“量子糾纏”的神秘狀態(tài)下完成遠距離通信，DT 君曾在成果發(fā)布的第一時間報道了此事。

在量子糾纏中，物理學(xué)家同步多個粒子的特性，例如光子或電子。一旦粒子被分離，這種“糾纏”允許觀察者通過測量與其連接的粒子的狀態(tài)來確定給定粒子的狀態(tài)。

如果研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離的量子糾纏，那么真正的不可破壞的信息加密系統(tǒng)將離我們不遠：長距離的量子糾纏是安全通信的“量子鑰匙”。任何對加密信息的破解嘗試都會對分享的鑰匙產(chǎn)生干擾，進而提醒通訊者注意自己的信息安全。

圖丨 AAAS 相關(guān)報道（來源：AAAS）

但棘手的問題在于，糾纏態(tài)的量子會在通過空氣等介質(zhì)的時候急劇衰減。所以，目前量子秘鑰的最長距離也就只有幾百公里。作為解決辦法，量子中繼器 (Quantum repeaters) 能夠通過放大量子信號的方式延展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，但這一技術(shù)尚未成熟。許多物理學(xué)家于是夢想通過衛(wèi)星在幾乎真空的太空環(huán)境中傳輸量子信號。

在潘建偉團隊發(fā)表于 2017 年 6 月 16 日的 Science 論文中，他們證明了一種新技術(shù)的可行性，該技術(shù)可以最大限度地減少這種衰減。團隊使用“墨子號”衛(wèi)星通過近地真空發(fā)送光子對，成功地測量相隔 1203 公里的量子密鑰。研究表明，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有朝一日可以作為量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施。

“安全溝通在現(xiàn)代世界中至關(guān)重要，”Science 主編、紐科克利夫蘭獎評選委員會主席 Jeremy Berg 說，“理論上，基于量子糾纏現(xiàn)象的方法顯示了一種完全安全的通信解決方案。愛因斯坦曾將其稱為“遙遠的幽靈活動”。

“然而，將這些理論方法轉(zhuǎn)化為實踐仍存在許多挑戰(zhàn)，”Berg 補充道，“獲獎?wù)撐氖菓?yīng)對這些挑戰(zhàn)的重要一步，實現(xiàn)了遠距離的量子通信?！?/p>

圖丨潘建偉團隊成員（來源：潘建偉）

潘建偉因簽證原因未能出席

據(jù)了解，" 墨子號 " 是由我國自主研制的世界上第一顆空間量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，從 2016 年 8 月 16 日成功發(fā)射，其三大科學(xué)任務(wù)——高速星地量子密鑰分發(fā)、星地量子糾纏分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)——目前都已完成。這三大任務(wù)預(yù)估耗時 2 年，但最終 1 年時間就已實現(xiàn)目標。這也讓國際同行再次將目光聚焦到中國量子技術(shù)的發(fā)展上：在建設(shè)使用量子加密傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)上投入了數(shù)千萬美元的資金、使用量子加密技術(shù)實現(xiàn)北京與維也納之間的視頻通話、經(jīng)過四年的規(guī)劃和建設(shè)，北京和上海之間的專用量子通信網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”也于去年正式開通……

圖丨“墨子號”成果登上 Science（來源： Science）

正如年會上 Science 主編、紐科克利夫蘭獎評選委員會主席 Jeremy Berg 所說：“過去幾年間，中國科學(xué)領(lǐng)域的進步讓人刮目相看。我認為這篇論文能在這樣一個競爭激烈的領(lǐng)域脫穎而出，也證明了當今中國科學(xué)研究的質(zhì)量?！?/p>

但令人遺憾的是，據(jù)了解，潘建偉未能參加此次頒獎活動，因為他的簽證正處于“行政審理”狀態(tài)。

“科學(xué)應(yīng)該是無邊界的。這就是會議的主旨，當然是 Science 的辦刊主旨，來自世界各地許多國家的研究人員和科學(xué)合作團隊，”Science 主編、紐科克利夫蘭獎評選委員會主席 Jeremy Berg 說，“這是一個不幸的事件。在科學(xué)的跨國、跨界方面，這確實令人沮喪。”

在國際局勢已經(jīng)開始侵蝕科學(xué)界交流的當下，中國團隊本土成果獲得如此國際認可難能可貴。

2019 年量子軍備賽

此次研究能夠獲得 AAAS 的青睞，預(yù)料也有量子通信技術(shù)近幾年在全球受到廣泛關(guān)注的原因。

例如，與中國在人工智能等其他尖端技術(shù)上的做法一樣，美國政府也已經(jīng)把各種量子研究列為重點。

2018 年 12 月中下旬，美國眾議院通過了《國家量子倡議（NQI）法案》。根據(jù)該法案，未來五年內(nèi)，美國能源部、國家科學(xué)基金會和商務(wù)部（國家標準與技術(shù)研究院（NIST）直屬商務(wù)部）將在量子信息科學(xué)研究領(lǐng)域共計投入 12 億美元。中國在量子領(lǐng)域首批投資預(yù)算高達 100 多億美元，相較而言，12 億美元只能算小手筆。不過，金額大小并不能最終決定研究的質(zhì)量或?qū)嶋H價值。并且，盡管在量子加密方面中國略勝一籌，但得益于私企的投資，美國在量子計算領(lǐng)域有較大的領(lǐng)先優(yōu)勢。

目前，美國最值得期待的量子通信項目之一，是由美國能源部資助、兩大國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)建立的新量子網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將在一年左右的時間內(nèi)從阿貢國家實驗室延伸到費米國家加速器實驗室。這兩家國家實驗室和芝加哥大學(xué)已建立了一個名為“芝加哥量子交換”(Chicago Quantum Exchange) 的合作項目，由 Awschalom 牽頭，是整個項目的先期項目。對于美國在開發(fā)不可破解通信技術(shù)的全球競賽中取得重要成果具有推動作用。

（來源：Quantum Xchange）

另外，在 2018 年 10 月 26 日，一家名為 Quantum Xchange 的創(chuàng)業(yè)公司表示，它已被允許接入沿美國東海岸運行的 500 英里光纖電纜，用以為美國創(chuàng)造該國的首個州際、商用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。隨著此次美國量子互聯(lián)網(wǎng)項目到位，全球量子互聯(lián)網(wǎng)的競爭態(tài)勢將更加激烈。

在 2019 年，全球量子軍備賽競爭還將包括建造真正的商用量子計算機。

回顧過去的一年，量子計算市場一片火熱，幾家科技公司各自推出了自己的芯片，憑借量子比特數(shù)目搶占“量子霸權(quán)”：

2018 年一月的 CES，在推出 17 量子比特芯片 2 個月后，Intel 公司宣布設(shè)計并制作了具有 49 個超導(dǎo)比特的芯片 Tangle Lake。芯片目前交由其在荷蘭的研究伙伴 QuTech 進行測試，但到目前為止還未有測試結(jié)果。

（來源：谷歌）

谷歌緊隨其后，于 2018 年 3 月發(fā)布了其 Bristlecone 芯片，該芯片具有 72 個超導(dǎo)量子比特，遠超前幾個公司的量子比特數(shù)，被認為是“更加接近量子霸權(quán)”。同年 7 月，Google 與 NASA 簽訂合作協(xié)議，由 NASA 分析其量子計算架構(gòu)上運行的量子電路的結(jié)果，驗證是否真正達到“量子霸權(quán)”。分析結(jié)果將于 2019 年揭曉。

另外，來自加州伯克利的著名初創(chuàng)公司 Rigetti 于 2018 年 8 月推出了其 128 量子比特的超導(dǎo)量子芯片，并希望在接下來一年多的時間圍繞這一芯片構(gòu)建量子計算系統(tǒng)。

如果說過去的一年是圍繞量子比特數(shù)和量子霸權(quán)炒作的一年，那么接下來的 2019 年將會是超導(dǎo)量子計算機的各大公司在拿出真實成績的一年。很多在之前的計劃也到了兌現(xiàn)的時候，究竟誰能真正的在實用化量子計算機領(lǐng)域脫穎而出，我們將拭目以待。