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量子|潘建伟：经过十到十五年努力，发展天地一体广域量子通讯网络( 三 )


那么量子叠加是什么意思呢？在我们的经典物理学当中 ， 一只猫 ， 它可以处于死和活这么两个状态 ， 可以来代表一个信息的传输单元0或者1 ， 就是加载一个比特的经典信息 。 但是到了量子世界的时候 ， 在微观世界里面的一只猫 ， 它不仅可以处于0或者1的状态 ， 甚至可以处于死和活这个状态的相干叠加 。 对这样一种态 ， 我们就把它叫做量子比特 。 那在物理的实现上是非常简单的 。
一个光子在真空当中传播的时候 ， 它可以沿着水平方向偏振 ， 竖直方向偏振 。 这两个状态就代表0或者1 。 当它沿着45度方向偏振的时候 ， 其实就是所谓的量子叠加态|0>+|1> 。 那么爱因斯坦对这个问题做了比较深入的思考 ， 他说 ， 对一只猫可以处于死和活状态的叠加 ， 那么两只猫是不是可以处于活活和死死状态的叠加呢？这就相当于两个骰子纠缠在一起 ， 哪怕他们相距非常遥远 ， 一个在合肥的科大 ， 一个在深圳腾讯的总部 。 那么我们在扔这个骰子的时候呢 ， 单边的结果是完全随机的 ， 但是两边的结果在当时实验当中的是一模一样的 。
爱因斯坦把这种现象：遥远地点之间的诡异的互动 ， 这么一种现象就把它叫做是量子纠缠 。 对这个量子纠缠 ， 在实验上怎样才能把它造出来呢？你需要有这种单个量子的调控 ， 比如说我有一杯水 ， 你把它喝掉一口是很容易的 ， 但是如果你能在里面拿出一个水分子来 ， 这在技术上就变成一个非常困难的事情 。 科学家经过几十年的努力 ， 慢慢地掌握一种能力 ， 可以对一个光子、一个原子把它拿出来 ， 按照你的需要进行操纵 ， 行进主动的操纵 。
那么有了这样一种能力后 ， 你就可以把一个个量子比特 ， 按照你的需要进行调控 。 那么这个时候就催生了一个新的学科 ， 我们把它叫做量子信息科学 ， 这直接导致了第二次量子革命的发生 。 那么利用量子通信可以提供一种原理上无条件安全的通信方式 ， 利用量子计算可以提供非常强大的计算能力 ， 而用于各种各样的复杂系统的研究 。
量子通信的第一个应用就是所谓的量子秘钥分发 。 那比如说有张三和李四 ， 他们为了进行安全的通信 ， 可以先送一系列单光子 ， 处于各种各样状态的单光子 ， 由张三送给李四 。 那么如果中间有个窃听者存在 ， 那我刚才讲到这光子的能量是不再可分的 ， 不能分成半个 ， 所以如果窃听者要把这个光子拿走的话 ， 接收者李四就收不到了 ， 所以这个秘钥你就没有收到 。
那么另外一种可能性 ， 比如窃听者对这个光子做个测量 ， 那么量子力学里面有个原理---测不准原理 。 你去测量光子就会影响光子的叠加态 ， 所以说有了窃听就必然会被发现 。 第一 ， 它不能分半个光子 ， 光子是不可分割的；第二 ， 这种光的状态是去测量它 ， 它就会被扰动 。 那么这个通信的双方 ， 张三和李四 ， 把那些被别人扰动过的或者被别人拿走的光子扔掉 ， 就可以形成了一种安全的秘钥分发 ， 利用安全的秘钥分发你就可以实现了加密内容不可破译的安全的量子通信 。
那么除了这个之外呢 ， 我们可以利用量子纠缠可以把一个粒子的量子信息从一个地方的转移到另外一个粒子上 ， 而不用传输这个物体本身 。 我这里举一个形象的比喻 ， 比如说我在合肥要到深圳腾讯去开会 ， 但坐飞机来不及了 。 如果说合肥的一个实验室和腾讯总部的一个实验室正好有一团纠缠物质 ， 那么我们可以把合肥的潘建伟跟这样纠缠物质做一个操纵 ， 把他纠缠起来 。 纠缠起来之后 ， 你就会得到一种信息 。 那么这种信息通过网络传到深圳的腾讯总部 ， 就是说对这些物质做一些操纵 ， 我们就可以把潘建伟全须全尾地在深圳把它构造出来 ， 我们把这样的过程就叫做量子隐形传态 。
那么当然在很久的将来 ， 我们可能都无法做到传送一个复杂的物体 ， 但是目前的技术已经允许我们可以进行了多体的、多终端的、多自由度的量子隐形传态 。 比如说几十个粒子、几百个粒子、甚至几百万个粒子所构成的一个系统的状态、是可以在一个网络里面走来走去的 。 那么这个东西其实本质上就是构建量子计算机的一个基本的单元了 。 那么量子计算机 ， 因为它（量子比特）可以处于量子叠加 ， 所以它的计算能力是随着可操纵的量子比特的数目呈指数增长的 。 那么这里我给你举个例子 ， 比如说利用一台万亿次的经典计算机分解一个300位的大数的话大概需要15万年 ， 但当你利用一台万亿次的量子计算机的话只需要一秒钟就行了 。


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