通信“完全保密”有望完全实现
• 2009-01-24 • 本刊记者 唐元恺
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潘建伟教授在奥地利维也纳多瑙河畔的实验站演示量子纠缠态远距离分送。
尽管密码是目前通信安全的“守护神”，但科学进展不时透露着这样的信息：还有“更保险的”--应用量子通信技术。
量子通信方式不可窃听、难以破解，能够实现完全意义上的保密，因为量子态无法被精确“克隆”。而依据量子力学的测量原理，任何窃听者在信息传输过程中截取或测量，都会改变它们的状态，从而被实时发现。如果通信过程中输出码和最终码的误码率为“零”，就能证明该次通信是完全保密的。
最近，在安徽合肥，科学家们获得新的“重大突破”，被认为“扫除了量子通信的一大绊脚石”。国内外不少媒体均把这一科学事件评为“年度最佳”之一，中国《科技日报》还将其评进“2008年国内十大科技新闻”--“实现世界首个量子中继器：中国科学技术大学的潘建伟教授及其同事，第一次实现了具有存储和读出功能的量子纠缠交换……”
“纠缠”得“清”
“量子纠缠”是实现量子技术的理论基础。“哪怕相距很远，粒子们之间也会发生关系，会有‘剪不断、理还乱’的‘纠缠’产生。”潘建伟说。
专家拿两个以相反方向、同样速率等速运动的电子为例，“从根本上讲它们是相互联系的”--即使一个跑到太阳边，另一个行至冥王星，如此遥远的距离下，两者仍保有特别的关联性，这意味着，当其中一个被操作（如“量子测量”）而状态发生变化，另一个也会即刻发生相应的状态变化，仿佛两个电子可以超光速地秘密通信一般。
上世纪30年代，爱因斯坦就发现了量子纠缠态的奇特物理现象，对此却也长期迷惑不已，他将其称为“鬼魅似的远距作用”。而从数学上提出纠缠态的概念则是到了上世纪80年代末期。如今，在越来越多的科学家眼里，这样一种“神奇的力量”可成为网络化量子通信、“万无一失”的量子保密系统与具有“超级”计算能力的量子计算机的基础。而早有专家预言，量子纠缠的利用可能会率先在通信技术上实现，由脉冲通讯上升到量子纠缠态编码，使通信技术得以大大飞跃。
为确保量子通信或量子计算的可靠性，都必须实现能够普遍适用的量子纠错。而这，仅仅靠3粒子和4粒子之间的纠缠已无法满足需要，须同时将5个粒子纠缠起来，并加以“相干控制”（correlation control）才行。但其技术难度极大。在中国科学院“知识创新工程”、科技部“973”计划和国家自然科学基金委项目的支持下，潘建伟教授和同事们花了3年时间，攻克种种难关，在世界上第一次实现了“5粒子纠缠态的制备与操纵”。
他们利用5光子纠缠源在实验上演示了一种更新颖的量子态隐形传输，即“终端开放”的量子态隐形传输。在不确定选择某个粒子作为量子态输出终端的情况下，先将一个粒子的量子态隐形传输到另外多个纠缠着的粒子上，尽管这些粒子分别在相距遥远的不同地点，但科学家们发现，只要通过适当操作，仍可将输入的量子态在任意选定的一个粒子上读出。这种新颖的量子隐形传输态正是量子纠错和分布式量子信息处理中必须掌握的一项关键技术。
另外，由于量子通信通道中存在着种种不可避免的“环境噪声”，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而逐渐降低，也就是说，两个粒子之间的纠缠会因传播距离的增大而不断退化，其纠缠数量也会随之越来越少。这是导致量子通信手段目前只能停留在短距离应用上的根本原因。作为量子通信的基本资源，脆弱的纠缠光子极易被信道吸收，造成信号随通信距离指数衰减、误码率提高进而导致通信失败。现阶段量子通信的距离被限制在百公里的量级。类比于传统通信中为了补偿信号衰减而建立的“中继器”（适用于完全相同的两种网络的互连，主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发，以扩大网络传输的距离），奥地利科学家在理论上提出，可以通过量子存储技术与量子纠缠交换和纯化技术的结合来实现“量子中继器”，从而最终实现大规模的远距离量子通信。
由于多方面的因素，如在实验上同时产生两对纠缠光子对的概率很低，量子中继器的实验验证一直是国际量子信息研究领域公认的一大高难课题。科学家们拿出了各自不同的方案。潘建伟及国内外同事分别在1998年和2003年从实验上实现了纠缠交换和纠缠纯化；2002年秋获得国际上亮度最高的纠缠对光源。利用此纠缠态光源，研究人员成功地研制出亮度比以往世界纪录高100倍的4光子纠缠光源；2007年，他们提出具有存储功能且误码率低的高效率量子中继器的理论方案；最终，在国际上首次实现了量子中继器的原理性验证，科学家们相信，此研究成果将成为未来远距离量子通信实现中的基本工具。
潘团队还做过一项实验，以期达成自由空间中的“全球化”量子通信，通过卫星转发量子信号，传至上万公里乃至更远的接收点，在全球范围内进行完全的保密通话。
“助产”量子计算机
“倘若对一个400位的自然数进行因子分解，使用目前最快的计算机来算大概需要近百亿年；而如果使用‘量子计算机’，只要几分钟就可搞定。”潘建伟教授如是说。
与传统计算机相比，量子计算机的优越性体现在量子并行计算上--前者是通过二进制位“0”和“1”来表示信息，一个字节要么是“0”，要么是“1”，而后者可以进行量子多项式算法，如果用量子状态表示信息，一个量子位就可以表达两者兼有的状态。按照这个构思，量子计算机的信息处理和存储能力将会发生质变。
屡创“首次”的潘团队在光学量子计算核心领域也取得了一系列独创性成果。如2007年从实验上实现了单向量子计算机，又刷新了世界记录，被看作“向量子计算机的物理实现迈出了实质性的一步”。
同年，他们还在国际上第一次利用光量子计算机演示了关键性的“Shor算法”。这一最著名的量子算法，是1995年美国科学家Peter Shor提出的，它证明了可以用量子计算机来破解现用的RSA加密算法。
RSA加密算法正在公钥加密标准和电子商业中被广泛使用。它是1977年由当时都在麻省理工学院工作的罗•李维斯特（Ron Rivest）、阿迪•萨米尔（Adi Shamir）和雷奥纳德•阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的（RSA是其3人姓氏开头字母拼在一起组成的）。RSA体制的安全性是建立在大数分解这一难题基础上的,可严格说来,也只是涉及到两个大质数相乘所得到的合数。作为能够分解它的算法（可以快速分解出大数的质因子），Shor算法在量子计算机上的实验实现又是一道国际公认的难题。在世界范围内也不乏“解题者”。潘建伟的团队选择光子比特这样一种抗“退相干”能力强、单比特操纵精确的物理体系，系统地发展了一套国际领先的多光子相干操纵和纠缠态制备的实验技术。经过艰苦的方案设计和实验摸索，潘教授他们与牛津大学研究人员合作，用光子比特、也是国际上首次用真正的纯态量子系统，实验演示了Shor算法，实现了“15=3×5”质因子分解，并确认量子计算中多体纯纠缠的存在，验证了量子加速的根本原因。
“目前，在计算机领域，芯片的体积越做越小，速度越来越快，也日益接近单原子的水平，原来的经典电动力学理论就解释不通了，这个时候，量子力学就起作用了。”潘教授说。相对于传统计算机，量子计算机不仅运算速度快、存储量大、功耗低，而且体积会大大缩小。“一个超高速的量子计算机可以放在口袋里；装备量子计算机的人造卫星直径可以从数米减小到数十厘米。”
不过，目前人们还无法指望马上就能用上量子计算机。可很显然，一旦拥有它，目前广泛使用的密码系统（RSA公钥加密、银行账号以及网络、电子商务密码等）就毫无保密性可言了。具体地说，用传统计算机攻破现有密码体系，要花费上千年；可采用量子计算机，只需数分钟或数秒。
而对付严峻威胁的武器只能靠“以其人之道还治其人之身”--量子密码。原理仍是：量子态不能被精确“克隆”。中国科学技术大学的另一位著名教授、中国科学院院士郭光灿领导的一个研究小组，就曾在北京和天津之间成功实现125公里光纤的点对点的“量子密钥分配”，解决量子密码系统的稳定性问题。上世纪90年代初，量子信息学刚刚起步，郭教授便开始及时追踪国际前沿，以量子密码和量子编码两个方向为切入口进军这一新兴科研领域。
穿越“时空隧道”
在神话或科幻作品中，有人会突然消失，一转眼却又从别的地方冒出来……只要飞得足够快，就可以去“未来”旅行。而回到“过去”，也不是不可能，量子力学正提供着可能性，尽管科学家们对是真正“回到”过去还是回到了一个类似的过去仍在争论不休（想象不休）。实际上，抛开科幻，已能够实现的将粒子从一个地方瞬间转移到另一个距离遥远的地方，就好像是穿越了“时空隧道”。
“或许假以时日，在某个世纪，就能够传输人类本身。”据潘建伟介绍，继能够成功发送光子和原子之后，目前科学家正在对更大的物体和在更远的距离上进行传输研究。
现实生活中，潘教授就是一个“瞬间移动”的人。“一年当中，我有一半时间在国内其它地方奔波，而另一半时间则到国外考察与合作研究。”
精力旺盛的潘教授其实今年3月才将满39岁。而在10年前，其《实现未知量子态远程输送》的文稿，便同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起，被国际权威学术杂志《自然》评为“百年物理学21篇经典论文”。他曾当选“中国十大杰出青年”和荣获“中国青年科学家奖”。2003年，他被奥地利科学院授予“Erich Schmid奖”。该奖为奥地利科学院授予40岁以下的青年物理学家的最高奖，两年一度，每次一人。
“潘建伟的工作对于一般人来说是难以理解的，不然会感到更强的震撼力。”曾长期担任中国科学技术大学校长的中国科学院院士朱清时笑曰。
潘教授则非常感恩校领导、老师与导师，“他们让我的个性能够得到充分的张扬。”对学生与同事，他也是这样做的，“宽松的学术环境和充满朝气与合作精神，是科研之所以成功的一把密钥。”
“我还要感谢都曾当过中学教师的父母对我小时候的‘无为而治’。”在潘建伟看来，在自己能够自然健康成长的基因里，得益于其父的“随意”与其母的‘好胜’。“两者形成了我今天这样的秉性。”
