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中科大-清華聯合小組的研究人員在發送端調校光學設備
聽起來，這並不像是一個複雜的實驗：位於北京八達嶺長城腳下的送信者，要向站在河北省張家口市懷來縣的收信者發出一段訊息。
這段距離僅有16公裡，在晴朗的白天，他們彼此甚至目力可及。只是，這並不是一封信、手機簡訊或電子郵件，而是好像『時鐘指針』一樣表示著量子運動狀態的量子態。
這已經是量子態目前在世界上跑出的最長距離。6月1日，世界頂級科學刊物《自然》雜誌的子刊《自然·光子學》以封面論文的形式，刊登了這項成果：一個量子態在八達嶺消失後，在並沒有經過任何載體的情況下，瞬間出現在了16公里以外。實驗的名稱叫做自由空間量子隱形傳態，由中國科學技術大學與清華大學組成的聯合小組完成。
美國國際科技信息網站盛贊，這一成果代表著量子通信應用的巨大飛躍。
想要給大家都講明白實在是一件痛苦的事
這確實是一個難以令人理解的研究領域，面對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在是一件痛苦的事』。
早在3年前，中科大前校長朱清時院士在形容負責組建聯合小組的中科大教授潘建偉時也聲稱，潘在量子通信領域的工作『對於一般人來說是難以理解的』，『不然會感到更強的震撼力』。
一切還要從量子說起。量子是不可分的最小能量單位，『光量子』就是光的最小單位。
在奇特的量子世界裡，量子存在一種奇妙的『糾纏』運動狀態。中科大量子信息實驗室教授彭承志願意將一對糾纏狀態下的光子比作有著『心電感應』的兩個粒子。再用個更貼切的比喻，糾纏光子就好像一對『心有靈犀』的骰子，甲乙兩人身處兩地，分別各拿其中一個骰子，甲隨意擲一下骰子是5點，與此同時，乙手中的骰子會自動翻轉到5點。
事實上，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。因為在物理學上，每一次對糾纏光子的測量都會破壞原有的狀態，『就像冰淇淋，你必須嘗一口才知道它的味道。但當你嘗了一口時，冰淇淋就已經發生改變。』一個專業人士這樣解釋。
因此，甲只需要通過電話、簡訊等管道告訴乙，自己剛剛擲出了5點。乙即便不用攤開手掌，也可以知道自己手邊這個『心電感應』的骰子也成了5點。
這聽起來就像一場魔術表演。只是，甲和乙之間傳送的只是類似『轉成5點』之類的訊息，而不是實物。
這是目前量子態在自由空間中隱形傳輸的最遠距離
這段16公里的旅程創造了新的世界紀錄，這是目前這個星球中量子態在自由空間中所能隱形傳輸的最遠距離。
事實上，在量子態隱形傳輸經歷的漫長旅程中，每一點距離的進步都可以被視為一座里程碑。1997年年底，位於奧地利的蔡林格研究小組首次在實驗平臺上幾米的距離內成功地進行了這一實驗。
雖然當時的傳輸距離僅達數米，但美國《科學》雜誌卻將其列為該年度全球十大科技進展。《科學》雜誌的評語是：『盡管想要看到《星際旅行》中「發送我吧」這樣的場景，我們還得等上一些年，但量子態隱形傳輸這項發現，預示著我們將進入由具有不可思議的能力的量子計算機發展而帶來的新時代。』
科幻電影《星際旅行》至今仍在科幻娛樂史上排名榜首。它講述了人類的夢想：太空人在特殊裝置中平靜地說一句，『發送我吧，蘇格蘭人』，他就會瞬間轉移到外星球。在經典遊戲『暗黑破壞神』中，女巫角色的技能是『瞬間轉移』。只要施展這個魔法，女巫就會伴著一道閃光消失，並出現在任意一個想去的地方。
『這種現象，與量子態隱形傳輸很類似。』一位聯合小組成員謹慎地選擇著用詞。當然，它們並不相同。在這項實驗中，被傳輸的是訊息而並非實物。
1999年，蔡林格研究小組的論文又與倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論等重大研究成果一起，被英國《自然》雜誌選為『百年物理學21篇經典論文』。而就在那時，這篇論文作者欄中一個26歲的年輕人，就是當時在奧地利維也納大學從事研究工作的潘建偉。
不過接下來，發展並不算順利。直到2004年，蔡林格小組才利用多瑙河底的光纖信道，將量子隱形傳態距離提高到600米。
這次中國的實驗在技術上有了重大創新，光子在傳播過程中會因偏振而引起變化，聯合小組的科學家們對此進行了『正反饋』，即用簡單的光學器械控制住光子的偏振態，使這次實驗的保真度最終達到了89%。也就是說，『盡管不能正確無誤地發送每一個碼，但訊息是可以傳送的』。
『如果地點允許，我們本來希望能達到20公里。』聯合小組成員、清華大學物理系副研究員蔣碩覺得很遺憾。他在一間窗臺上生長著翠綠爬藤的辦公室裡接受了記者的採訪。
隨著高度增加，空氣也會變得更加稀薄。所以，地表10公里的空氣密度，基本相當於從地球到外層空間幾十公里距離的空氣密度。『20公里的傳送距離，就表明光子可以在地表與外層空間衛星間打一個來回。』這也就意味著量子訊息可以通過衛星在不同地區，甚至國家間傳遞。
可在野外實驗，狀況卻無法保證同實驗室裡一樣理想而精確。最終，因為位置便利，研究者們將『秘密基地』分別設在八達嶺長城腳下與河北懷來的兩家小旅館，地理距離16公里。
為了用激光為量子態傳輸打出一個光鏈路，他們的實驗大多在其他人沈入夢鄉的夜晚進行。光鏈路是為了幫助隨後分發的光量子『探路』。那些已經睡著了的人並不知道，這群在半夜裡還擺弄著有點嚇人的綠色雷射光的年輕人，也正在實現這個世界全新的通信夢想。
『盡管我們只傳送了16公里，但這在科學上證明了量子訊息的遠距離傳輸是可行的，也意味著量子訊息通過衛星進行傳遞有可能實現。』蔣碩說。
為了防禦一個還未出現的威脅
這些站在科學領域最前沿的中國物理學家明白，進行量子通信研究，除了能夠實現隱形傳態這種奇妙的物理現象以外，還能夠實現更重要的使命，那就是防禦一種『還未出現的威脅』。
威脅來自尚未被成功發明的量子計算機。早在上個世紀，科學家們就已經開始設想，用量子系統構成的計算機來模擬量子現象，從而大幅度減少運算時間。如果將未來的量子計算機比作大學教授，今天所謂超級計算機的能力甚至還比不上剛上幼稚園的小班兒童。
你可以想像這樣一個驚人的對比：現在對一個500位的阿拉伯數字進行因數分解，目前最快的超級計算機將耗時上百億年，而量子計算機卻只需大約幾分鍾。
『一旦哪個瘋子發明出來量子計算機，他就可以攻破所有的密碼。』蔣碩指出了這個可怕的威脅。事實上，現在通用的加密方式並非如想像般安全，它們都有破譯的方法，只不過由於現有計算機運行能力的限制，破譯一個密鑰可能要耗費上萬年，甚至上百萬年。
如果量子計算機出現，我們目前自以為安全的一切將不堪一擊。那將是一個超級神偷，可以偷走現代文明中人們賴以生存的一切——銀行存款、網絡訊息。它也足夠衝破軍事或安全系統，調轉導彈的軌道，令整個國家陷入混亂與災難。因此，沒有人敢懈怠，『這並不是一項杞人憂天的研究。所有的防禦必須出現在進攻之前。』美國科學家的預言就像一個倒計時器，『量子計算機可能將在50年之後出現。』
因此，『只有採用量子訊息才是安全的，必須佔領先機。』這樣一切『竊聽手段』將失去原有的意義。如果一個間諜想要收集情報，他必須竊取發送途徑中的光子，經過測量後再次傳給接收者。但因為光子對的糾纏特性，這樣的竊取就會被發現，『就像被嘗過的冰淇淋一樣』。
當然，眼下這只是一場看不見對手的戰爭。『如果沒有量子計算機這支矛，量子訊息這面盾就發揮不出作用。』蔣碩說。他同時也認為，即便技術成熟，『如果量子計算機沒有出現，並沒必要進行大規模的產業換代』。
然而，這篇論文發表後，蜂擁而至的報道和議論卻讓科學家們發現，公眾似乎誤解了自由空間量子隱形傳態的真正意義，『很多人都認為，這個實驗的成功代表著超時空穿越可能實現。』
顯然，能夠傳遞一組訊息並不意味著已經可以傳遞實物。『我們對世界的了解仍然不夠透徹。』一位研究者說。科學家們現在還不知道應該如何通過隱形傳輸的方式傳送實物，『我們曾經以為世界上最小的是原子，可是後來發現原來裡面還有質子和中子。然而，沒有人知道質子和中子是否還能被繼續拆分。更何況想要傳送一個生命體，又該如何處理他複雜的腦波活動呢？』
『目前我們實現的僅僅是單光子量子態的隱形傳輸，在未來有可能實現複雜量子系統的量子態隱形傳輸，但距離宏觀物體的量子態隱形傳輸還具有非常遙遠的距離。』彭承志說。
也許，正是『非常遙遠的距離』帶給了人們遐想。畢竟，曾經實驗臺上量子態只能前行幾米，而今，它已經可以穿越16公里。將來，它還可能在星球之間傳遞。
『科技發展的速度有多快誰能知道呢？』一位參加這項研究的科學家說，『就好像打算盤時的人們永遠想不到，在不久的將來，人類發明出了每秒運行幾千億次的電子計算機。』
原始文章: http://tech.big5.enorth.com.cn/system/2010/06/23/004790247.shtml
