黃志洵

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

1 引言

近年來在國際上掀起了研究量子通信技術(shù)的熱潮，卷入的國家有中國、奧地利、美國、加拿大、澳大利亞、俄羅斯等國，其中以中國投入力量最大，公開報(bào)道的成果最多。量子通信(quantum communication)和量子隱形傳態(tài)(quantum teleportation)是兩個(gè)相互聯(lián)系而又不完全相同的概念，它們的表述方式、研究內(nèi)容、研究方法是有區(qū)別的。但其理論基礎(chǔ)都是量子糾纏態(tài)(quantum entanglement)，而這是先有理論分析預(yù)言而后才有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)用的研究課題。近年來中國科技大學(xué)、清華大學(xué)等高校和科研單位的研究人員對(duì)量子通信的理論與技術(shù)開展了大量研究，其成果多數(shù)發(fā)表在國際名刊《Nature》、《Science》、《Phys.Rev.Lett.》之上，國內(nèi)外媒體也作了廣泛報(bào)道。中國的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的發(fā)射和實(shí)驗(yàn)更將這一熱潮推高。……然而據(jù)筆者所知，在國內(nèi)外都有一些質(zhì)疑聲音；提出疑問的不僅有物理學(xué)家，還有通信專家和密碼學(xué)家。因此，我們感到有必要對(duì)情況作梳理和分析，把公開報(bào)道的正面材料和反對(duì)意見都列出來，以便作進(jìn)一步思考。

2 中國科學(xué)家的研究成果及網(wǎng)絡(luò)上的批評(píng)

中國科學(xué)家潘建偉早年留學(xué)奧地利，導(dǎo)師是Anton Zelinger教授。他們師生研究量子糾纏態(tài)的理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，至今有20年了。1997年，包含他們二人在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)的隱形傳送，成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。該成果被譽(yù)為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。

潘從奧地利回國后成為中國科技大學(xué)教授，一直從事量子信息學(xué)的相關(guān)研究。他領(lǐng)導(dǎo)的研究組在《Nature》上多次發(fā)表論文。2011年潘成為中國科學(xué)院院士。2009年8月中科大在合肥市5個(gè)不同地點(diǎn)間進(jìn)行了量子加密通話實(shí)驗(yàn)，組建的光量子電話網(wǎng)的核心部件，是他們獨(dú)立研發(fā)的量子程控交換機(jī)和量子通信終端。為確保絕對(duì)安全，兩人通話期間，密碼機(jī)每時(shí)每刻都在產(chǎn)生密碼，牢牢“鎖”住語音信息；而一旦通話結(jié)束，這串密碼就會(huì)立即失效，下一次通話絕不重復(fù)使用。對(duì)此，美國《Science》雜志作了報(bào)道。正是在這一時(shí)期，中國科學(xué)院決定加大對(duì)潘建偉等中科大研究團(tuán)隊(duì)的支持力度。

隨后，中國量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年8月16日升空，潘為首席科學(xué)家。2017年6月《Science》發(fā)表的論文稱，中國科學(xué)家取得了非常重要的進(jìn)展。他們將量子糾纏分發(fā)的距離提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，由百公里級(jí)提高到干公里級(jí)，確切地說是1200公里。雖然在中國已擁有建立在城市間和機(jī)構(gòu)間的地面量子通信網(wǎng)絡(luò)，但無論通過光纖還是大氣進(jìn)行地面量子傳輸，都會(huì)有較大的信號(hào)衰減。解決這一問題的辦法就是利用衛(wèi)星向地面發(fā)射光子?！瓏饷襟w評(píng)論說，雖然從理論上說糾纏光子不管跨越多長距離都能保持聯(lián)系，但在現(xiàn)實(shí)中，往往很難在不破壞糾纏態(tài)的情況下分發(fā)光子對(duì)。如果能保持糾纏態(tài)，那么就能形成一個(gè)基本上無法攔截的信道。而現(xiàn)在是在千公里量級(jí)上實(shí)現(xiàn)了量子糾纏(中國青海德令哈站和云南麗江高美古站之間距為1203km)。潘建偉說，研究團(tuán)隊(duì)每晚只有5分鐘的時(shí)間窗口，此時(shí)衛(wèi)星軌道高度大約500公里，其信號(hào)能夠同時(shí)被兩個(gè)地面站接收。在衛(wèi)星發(fā)射伊始，他們就已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)每秒進(jìn)行一次量子糾纏。他還說，目前主要的挑戰(zhàn)是，如何在白天，光量子非常多的情況下，分辨并接收到量子衛(wèi)星的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)量子通信。

2017年9月29日，世界首條量子保密通信干線(京滬干線)開通。同日，它與墨子號(hào)衛(wèi)星鏈接，形成了洲際量子保密通信線路。最后，2018年1月有報(bào)道說：研究人員對(duì)照片進(jìn)行量子加密后，將它們成功地在北京和維也納之間進(jìn)行了傳輸，傳輸距離達(dá)到7600km；接下來，兩座城市的研究人員又舉行了歷時(shí)75分鐘的視頻會(huì)議，也是通過量子密鑰進(jìn)行加密。

以上是筆者根據(jù)媒體報(bào)道整理的大事記。然而，近年來對(duì)這些工作成果一直有質(zhì)疑的聲音存在。有不同意見并不是壞事，我的老師曾送我4個(gè)字：“兼聽則明”。遵循他的教導(dǎo)，筆者做了檢索。首先，沒有發(fā)現(xiàn)發(fā)表在學(xué)術(shù)刊物上的正式質(zhì)疑論文，而主要是網(wǎng)絡(luò)文章。有十余篇，它們有長有短，水平、論點(diǎn)各不相同。去掉那些無價(jià)值(甚至莫明其妙)的材料，有參考價(jià)值的有5篇，其中只有2篇是署名文章。必須指出，其中一位物理學(xué)家撰寫的署名文章給我以深刻的印象；該文雖非發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上，而且言辭過于激烈，但它嚴(yán)肅認(rèn)真、內(nèi)容充實(shí)。雖然筆者不同意其基本觀點(diǎn)(這是因?yàn)槲艺J(rèn)為量子力學(xué)自發(fā)明后的90年光陰已充分證明其理論深刻美麗、思維方式獨(dú)特而應(yīng)用廣泛，是物理學(xué)由傳統(tǒng)轉(zhuǎn)為現(xiàn)代的標(biāo)志)，但筆者仍然耐心地讀了這篇網(wǎng)文?！旅妫覀兛偨Y(jié)歸納出反對(duì)量子通信(或反對(duì)說“中國已在量子通信方面取得巨大成就”)的主要理由，看看反方的主要論點(diǎn)。

先看理論層面；有人認(rèn)為量子力學(xué)(QM)不明白什么是物理實(shí)在，Einstein的定(局)域?qū)嵲谛岳碚撜_；認(rèn)為對(duì)后者的否定和對(duì)J.Bell理論的肯定都是愚蠢的。說量子糾纏態(tài)理論近乎魔術(shù)和巫術(shù)，根本不會(huì)有那種“鬼魅般的隔空作用”。因此，所謂非定(局)域性遠(yuǎn)距離相關(guān)是謊言，超距作用不可能發(fā)生。量子隱形傳態(tài)在數(shù)學(xué)上嚴(yán)格，物理上錯(cuò)誤是偽科學(xué)?？傊J(rèn)為量子通信的理論根據(jù)荒唐、錯(cuò)誤，而說“隱形傳態(tài)已成熟并可據(jù)之建設(shè)全球量子通信網(wǎng)”是彌天大謊。認(rèn)為整個(gè)量子通信工程浪費(fèi)巨大并有擴(kuò)大之勢，應(yīng)立即停止。

其次，說量子糾纏態(tài)理論未獲實(shí)驗(yàn)證實(shí)，仍是爭議中的問題。因此在技術(shù)層面上的量子通信實(shí)驗(yàn)并未真正實(shí)現(xiàn)靠糾纏效應(yīng)的信息隱秘傳輸，其實(shí)仍是傳統(tǒng)的無線電收發(fā)。有一種看法認(rèn)為，所謂量子衛(wèi)星其實(shí)只是一個(gè)傳統(tǒng)的激光通信衛(wèi)星，它除算法外無新科技；Zelinger甚至鼓動(dòng)中國發(fā)衛(wèi)星，只是為了刺激歐洲國家投入經(jīng)費(fèi)。

迄今為止對(duì)量子通信的基本優(yōu)點(diǎn)總是說它的加密性極好，實(shí)際上不可竊聽、無法破譯。但正是在這個(gè)問題上網(wǎng)絡(luò)文章提出了嚴(yán)重質(zhì)疑。1982年國際上出現(xiàn)了“量子不可克隆定理”，認(rèn)為單量子不可能被克隆。據(jù)此，量子密碼可提供無法竊聽、不可破譯的通信系統(tǒng)。然而有人說該定理是錯(cuò)誤的，誤解了量子態(tài)疊加原理，例如若光子不可克隆就不會(huì)有激光器。另外，所謂量子加密無非就是可以在發(fā)現(xiàn)有人在偵聽竊取信息的時(shí)候，能自動(dòng)切斷通訊。故目前是以犧牲通信效果(放棄穩(wěn)定的通信)來換取信息安全，而在有竊聽時(shí)并保證不了接收正確信息。有網(wǎng)絡(luò)文章指出，“量子通信”概念始于Bennett和Brassard提出的BB84協(xié)議，該協(xié)議一直被稱為量子密鑰分發(fā)，實(shí)際上是利用量子態(tài)來協(xié)商臨時(shí)密鑰，得到的是普通的比特串，而不是某些人想象的量子比特串。很多從事量子密碼研究的人士連密鑰和密碼都分不清；嚴(yán)格說來，密鑰是偽隨機(jī)數(shù)，密碼是算法。量子密鑰就是利用量子態(tài)來協(xié)商偽隨機(jī)數(shù)。……量子密碼學(xué)立足于信息安全，從物理上剝奪了敵手竊取信息的能力。實(shí)際上信息安全與通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性不兼容；有了敵手就干不成事的量子通信系統(tǒng)最終也只能淪為一個(gè)擺設(shè)。

另外，中科大有一些夸大說法招致了反感；例如潘建偉說“可以大膽想象未來可以把人傳遞到遙遠(yuǎn)地方”。又如說“量子通信產(chǎn)業(yè)有望成為市場規(guī)模超過千億元級(jí)別的產(chǎn)業(yè)”。還有，為了邁向資本市場，竟迫不及待地推進(jìn)“量子產(chǎn)業(yè)化”；A股還推出了“量子通信概念股”……這些宣傳不但未能鼓舞人心，反而起反作用。還有人說量子通信方向騙了政府最高層，已投入20億元，至今“騎虎難下”；……如此等等。

我們羅列這些反面觀點(diǎn)，并不是說國內(nèi)大多數(shù)人(包括專家學(xué)者們)的主流意見都是反對(duì)量子通信，甚至反對(duì)量子力學(xué)本身。例如，有網(wǎng)文說：“認(rèn)為‘中國量子通信是精心謀劃的騙局’是胡扯。量子通信技術(shù)門檻高，不懂、不了解是合理的；但指控潘建偉是騙子就太過份了。科學(xué)研究允許質(zhì)疑和反對(duì)，但要遵循學(xué)術(shù)規(guī)則。潘教授的工作在國際上獲高度評(píng)價(jià)；不能揪住他的一兩句話來說事?！硗猓f“量子通信衛(wèi)星就是一個(gè)傳統(tǒng)的激光通信衛(wèi)星”不對(duì)，因?yàn)槎咴聿煌仪罢呙看沃话l(fā)射一個(gè)光子，后者卻發(fā)射激光束(包含以億計(jì)的光子)。量子通信衛(wèi)星的著重點(diǎn)是加密，適合于在絕密級(jí)信息傳輸中應(yīng)用。

既然有反對(duì)意見(包括不理解造成的意見)，如中科大團(tuán)隊(duì)自己作些說明，效果會(huì)更好。2016年8月17日該校合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室副研究員袁嵐峰接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》采訪時(shí)表示，量子通信正是在質(zhì)疑中發(fā)展壯大的，但技術(shù)性質(zhì)疑不能阻止發(fā)展量子通信的戰(zhàn)略方向。他說，在量子通信過程中，量子被測量時(shí)會(huì)發(fā)生狀態(tài)的突變，通信雙方一旦發(fā)現(xiàn)狀態(tài)有變就會(huì)停止通信，因此竊聽確實(shí)會(huì)阻撓通信。但這并不等于量子通信沒有用。首先，這種敵對(duì)的阻撓是一次性的：其次，跟安全但可能被阻撓的量子通信比較的對(duì)象，應(yīng)該是暢通但可能泄密的傳統(tǒng)通信。與通信被阻斷相比，泄密更不可取。尤其是在安全性因素壓倒一切的特殊需求中，量子通信的地位無可替代。再者，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化時(shí)，傳統(tǒng)通信會(huì)變成完全無密可言。到那時(shí)，如果沒有量子通信的手段，中國將會(huì)不知所措。因此無論有多少技術(shù)性問題，量子通信都應(yīng)作為國家戰(zhàn)略方向大力發(fā)展?！瓕?duì)于“偽科學(xué)”之說，袁認(rèn)為應(yīng)當(dāng)看看《Nature》、《Science》、《Phys.Rev.Lett.》等頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊，會(huì)發(fā)現(xiàn)全球很多科學(xué)家都在從事量子通信和量子計(jì)算方面的研究；中國也一定要做?！拔覀儦g迎對(duì)量子信息的質(zhì)疑，不斷尋找所有可能的漏洞，再找辦法彌補(bǔ)”。袁嵐峰舉例說，1984年提出的BB84量子密碼協(xié)議是否安全，一直都有人質(zhì)疑。直到1999年，才完成安全性證明，文章發(fā)表在《Science》上，這是一個(gè)里程碑式的工作。后來發(fā)現(xiàn)大部分漏洞來自于測量儀器，所以又發(fā)明了安全性與測量儀器無關(guān)的量子密鑰分發(fā)技術(shù)?！罢窃谶@種不斷的質(zhì)疑與改進(jìn)中，整個(gè)學(xué)科才不斷進(jìn)步。這是科學(xué)研究的通例?！?/p>

3 量子糾纏態(tài)理論起源及發(fā)展：從EPR論文、Bohm方案到Bell不等式

在20世紀(jì)早期，科學(xué)界的一件大事是發(fā)明了量子力學(xué)(quantum mechanics，QM)。這個(gè)理論產(chǎn)生的背景是人們對(duì)原子、電子、光子等微觀粒子的認(rèn)識(shí)需求，傳統(tǒng)的物理學(xué)知識(shí)已經(jīng)非常不夠。雖然在1905年A.Einstein提出了狹義相對(duì)論(special relativity，SR)，又在1915年提出了廣義相對(duì)論(general relativity，GR)，但對(duì)研究微觀世界并無直接的幫助。從1925年6月到1926年6月，一年內(nèi)QM的基本部分成型——W.Heisenberg的矩陣力學(xué)和對(duì)易關(guān)系；E.Schr?dinger的波動(dòng)力學(xué)和波函數(shù)，以及波動(dòng)力學(xué)與矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)等價(jià)性；這三者構(gòu)成了QM的基礎(chǔ)。隨后，在1926年6月到1927年9月，一年多的時(shí)間又完成了對(duì)QM的基本詮釋——M.Born的波函數(shù)幾率詮釋；W.Heisenberg的不確定性原理(測不準(zhǔn)關(guān)系式)；N.Bohr關(guān)于微觀粒子波粒二象性的互補(bǔ)原理。很快地，QM證明了自己對(duì)原子、電子、光子的分析詮釋能力，它甚至經(jīng)由Dirac的工作預(yù)言了新粒子(正電子)的存在并得到證實(shí)。歐洲科學(xué)家對(duì)QM建立起關(guān)鍵作用；貢獻(xiàn)最大的三個(gè)人，Heisenberg在1928年是27歲，Schr?dinger是41歲，Dirac是26歲。

QM對(duì)物質(zhì)、世界、宇宙持有獨(dú)特的看法。在量子世界中測量將改變觀察對(duì)象，而不做觀察測量又無法獲得認(rèn)識(shí)，因而人們對(duì)“客觀實(shí)在”的理解將變得模糊而不確定。如果說，客觀實(shí)在本身在一定程度上取決于人對(duì)觀察測量所做的選擇，那么傳統(tǒng)上認(rèn)為客觀世界與人無關(guān)的觀念就將失效。又比如，量子系統(tǒng)有一種神秘的疊加態(tài)，即一個(gè)電子或光子可以同時(shí)處于兩種或兩種以上的狀態(tài)。我們再也不能說“它在這里或者在那里”，在量子世界里我們只能說“既在這里，又在那里”。一個(gè)光子，作為照射在一個(gè)帶有兩個(gè)孔的屏幕上的一束光的組成部分，可以在同一時(shí)間穿過兩個(gè)孔，而不是像經(jīng)典粒子那樣只穿過其中的一個(gè)。在環(huán)繞原子核的軌道上運(yùn)行的電子，同一時(shí)刻，可能處于好幾個(gè)不同的位置。

QM的出現(xiàn)曾在物理學(xué)界引起很大的分歧。最突出的例子是Einstein，他對(duì)QM持反對(duì)態(tài)度是眾所周知的，這一態(tài)度自1926年開始露頭。當(dāng)年4月28日，Heisenberg在柏林大學(xué)作關(guān)于矩陣力學(xué)的報(bào)告。會(huì)后Einstein邀請(qǐng)比他年輕許多的Heisenberg一起散步回家。在Einstein家里，主人向客人說：“即使在云室中能清楚地看見電子徑跡，您是否也拒絕考慮其軌道呢？”又說“難道您真相信單憑可觀察量就能建立物理理論？”Heisenberg說：“您在狹義相對(duì)論(SR)中不正是這樣做的嗎？‘絕對(duì)時(shí)間’正因?yàn)橛^測不到才是無意義的?！盓instein回答說：“原則上不能單憑可觀察量去建立理論，實(shí)際上，正是理論決定了我們能觀察到什么?！薄@次談話給Heisenberg留下了深刻的印象，但他并不知道，Einstein在此前不久致Schr?dinger的信中曾說，Heisenberg和Born的研究工作“脫離了正常的路徑”。

1926年12月4日，A.Einstein在致M.Born的信中說：“量子力學(xué)今人贊嘆，但一個(gè)內(nèi)在的聲音告訴我，這還不是真貨色。這個(gè)理論有很大的貢獻(xiàn)，但并不使我們更接近上帝的奧秘。無論如何，我相信他不是在擲骰子?！薄?，1927年3月刊登于《Zeitschrift für Physik》雜志上的Heisenberg論文對(duì)不確定性原理的表述為

px·△x≥h/4π

這里△x是微觀粒子坐標(biāo)，△px是動(dòng)量的均方根偏差，h是Planck常數(shù)。因而，微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量(或速度)不能同時(shí)有確定值；這意味著微觀粒子的運(yùn)行總有無法消除的不確定性，亦即在微觀世界中事件的發(fā)生常常是沒有原因的。所以Heisenberg在文章中說，由于自然界的精確度方面的極限，從某種意義上講因果律不再是絕對(duì)正確了。

存在量子糾纏態(tài)(quantum entanglement)也是QM的奇怪特性之一，而它導(dǎo)因于1935年發(fā)表的以Einstein為第一作者的論文；另二位作者是B.Podolsky和N.Rosen，因此被稱為EPR論文。有意思的是，雖然論文充滿對(duì)QM的指責(zé)，而后來的發(fā)展卻是從反面幫助了QM，證明了它的正確，提高了它的威信。通俗地講，EPR論文認(rèn)為QM是一種統(tǒng)計(jì)理論，但它不足以完整地描寫物理實(shí)在(physical reality)；文章的內(nèi)容分兩部分：前一部分闡述什么是物理實(shí)在；后一部分講作者設(shè)計(jì)的一個(gè)思維實(shí)驗(yàn)。第二部分說：“讓我們假設(shè)有兩個(gè)體系Ⅰ和Ⅱ，我們讓這兩個(gè)體系從t=0到t=T發(fā)生相互作用；在此以后，我們假設(shè)這兩部分之間不再存在任何互作用。我們再假設(shè)，兩個(gè)體系在t=0以前的態(tài)為已知。于是我們就可以借助于Schr?dinger方程來計(jì)算組合體系(Ⅰ+Ⅱ)在任何后來時(shí)刻的態(tài)，特別說來是任何t>T時(shí)的態(tài)。讓我們把對(duì)應(yīng)的波函數(shù)寫成Ψ，然而我們卻不能計(jì)算在相互作用以后兩個(gè)體系中任何一個(gè)所處的態(tài)。按照量子力學(xué)，這只能借助于進(jìn)一步的測量，通過一種叫做波函數(shù)簡縮的過程來做到。”EPR論文實(shí)際上是說：①Ⅰ，Ⅱ?yàn)槲⒂^體系，例如粒子；②而Ⅰ和Ⅱ組成一個(gè)系統(tǒng)，Ⅰ、Ⅱ分別為其子系統(tǒng)；③t>T時(shí)不再相互作用(例如遠(yuǎn)離)，重點(diǎn)應(yīng)該考慮t>T的情況。

EPR堅(jiān)持“局域性實(shí)在論”；這是什么意思呢？單詞locality的譯名是“局域性”或“定域性”，來源于EPR論文中的局域性假設(shè)(若測量時(shí)兩個(gè)子系統(tǒng)不再相互作用，影響其中之一不會(huì)使另一個(gè)發(fā)生變化)。EPR論文中還有一個(gè)實(shí)在性判斷(當(dāng)對(duì)物理系統(tǒng)不做干預(yù)因而能預(yù)測某物理量，則必有一物理實(shí)在與該量相對(duì)應(yīng))。以上二者合稱為局域?qū)嵲谛?。EPR思維論證說，量子力學(xué)違反上述原則，因而不完備。……必須指出，QM卻以非局域性(non-locality，也譯非定域性)為特征思想，包含的內(nèi)容是：①不成形性，即不認(rèn)為物質(zhì)粒子的質(zhì)量、能量全部(或大部)局限于一個(gè)小范圍；②超光速性，即允許信號(hào)傳播速度超過光速；③相關(guān)性，即空間分離的事件可關(guān)聯(lián)。所以，量子力學(xué)中的非局域性，無論在哲學(xué)上、物理上均與相對(duì)論不相容，也與EPR論文不相容。

EPR論文發(fā)表后，著名物理學(xué)家N.Bohr立即作了反駁。而在1952年，D.Bohm用粒子物理學(xué)語言對(duì)EPR作了新表述，因而提供了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的可能。Bohm所闡述的EPR思維提示了一種奇怪的量子相關(guān)。當(dāng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)粒子相互作用后分開很遠(yuǎn)，其自旋相等而相反，故可從一個(gè)推斷另一個(gè)。根據(jù)量子力學(xué)，兩者的自旋都不確定，直到測出為止。測量確定了一個(gè)粒子的自旋方向，量子相關(guān)使另一粒子立即接受確定的自旋。這一結(jié)果即使二者相距若干光年也對(duì)。這種遠(yuǎn)距離作用暗示，粒子間有一種超距作用(實(shí)際上是超光速作用)存在。這是Einstein所不能接受的——正是這類事使他苦惱并與量子力學(xué)保持距離。眾所周知，Einstein曾輕蔑地把這種現(xiàn)象稱之為“spooky action at a distance”(幽靈般的遠(yuǎn)距作用)?？茖W(xué)家當(dāng)然不承認(rèn)神仙幽靈，因此他認(rèn)為這種情況是不可能存在的。

以上的敘述給出了量子糾纏態(tài)的來源，這一概念溯源到EPR論文，只是該文不認(rèn)為會(huì)有這種狀態(tài)。在Bohm論文之后，還要經(jīng)過30年時(shí)間，量子糾纏態(tài)的存在才在實(shí)驗(yàn)中得到證明。值得注意的是，Bohm的體系針對(duì)的是任何微觀粒子，而不限定于光子。也就是說，可以是兩個(gè)電子，或者如上文所說是原來同屬1個(gè)分子的2個(gè)原子，等等。這對(duì)今天的研究人員是重要的。

不過，物理界這時(shí)仍然迷茫，不知道實(shí)驗(yàn)怎么做，也不清楚理論指導(dǎo)判據(jù)究竟是什么。這種情況在1964～1966年發(fā)生了改變，因?yàn)镴ohn Bell(一位愛爾蘭籍、在歐洲核子研究中心CERN工作的科學(xué)家)的介入，這被認(rèn)為是歷史性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。Bell在兩篇論文中闡述了自己的想法和分析，認(rèn)為Einstein的因果性和局域性觀點(diǎn)與QM的表述無法共存；他提出一個(gè)與量子力學(xué)相容的隱變量模型，認(rèn)為“任何局域變量理論均不能重現(xiàn)量子力學(xué)全部統(tǒng)計(jì)性預(yù)言”，推導(dǎo)出兩粒子分別沿空間不同方向做自旋投影時(shí)一些相關(guān)函數(shù)之間應(yīng)滿足的不等式，即Bell不等式(Bell’s unequality)。他的討論采用了D.Bohm建議的方法，并指出：若實(shí)驗(yàn)違背了不等式，QM就正確，Einstein的局域?qū)嵲谡摼筒徽_。Bell本來是支持Einstein的局域性觀點(diǎn)的，但他說究竟如何要由實(shí)驗(yàn)來決定?！?990年Bell因腦溢血去世，而在他的有生之年已看到有法國的團(tuán)隊(duì)(A.Aspect領(lǐng)導(dǎo))用精確實(shí)驗(yàn)證明QM是正確的，而Einstein錯(cuò)了。

然而在中國，有的物理學(xué)家可能像Einstein那樣不接受量子力學(xué)；因而他不但不認(rèn)為EPR論文錯(cuò)了，卻認(rèn)為EPR仍是QM的軟肋(或致命傷)。筆者曾就此詢問量子力學(xué)專家耿天明教授的看法，承他致信筆者說：

“首先，我認(rèn)為物理學(xué)界的學(xué)派區(qū)分，既對(duì)科學(xué)發(fā)展有促進(jìn)作用，也有其弊端。如形成為門戶之見，就會(huì)束縛思想，分析問題不易客觀與公正。在量子力學(xué)(QM)方面，幾大學(xué)派已是歷史，今天的科學(xué)討論不必停留在過去，并在其中尋找論戰(zhàn)的子彈。要與時(shí)俱進(jìn)，關(guān)注發(fā)展著的現(xiàn)實(shí)。其次，某先生文章的中心是否定1965年以來QM的成就，不承認(rèn)QM的非局域特性。實(shí)際上，D.Bohm對(duì)EPR思維作了推廣和發(fā)展，是一大進(jìn)步。Bohm、Bell、Aspect的工作本質(zhì)上一樣，都是量子糾纏態(tài)。另外，很明顯，波就是非局域的，因?yàn)槲覀儾荒苷f一個(gè)波在什么位置，故波長λ是非局域的參量；這樣，按照de Broglie假設(shè)(p=h/λ)，動(dòng)量p也就不是局域的了。況且，按照測不準(zhǔn)關(guān)系，某一局域位置(△x→0)，動(dòng)量完全不確定(△px→∞)；談?wù)撃澄恢玫膭?dòng)量無意義了，動(dòng)量能是局域的嗎？如果我們承認(rèn)量子有波性(這是千真萬確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果)，就應(yīng)承認(rèn)量子力學(xué)體現(xiàn)出來的非局域性是真實(shí)量子的固有性質(zhì)。還有一點(diǎn)，雖然J.Bell最初推導(dǎo)不等式時(shí)引入隱變量λ及其分布函數(shù)ρ(λ)，但Bell后來的推導(dǎo)(以及別人的推導(dǎo))均不再引入隱變量，表明只要有局域性就有與QM不符的不等式?！梢哉f，正是在Aspect實(shí)驗(yàn)之后，人們才認(rèn)識(shí)到量子糾纏態(tài)的重要性，進(jìn)一步開展研究后才有了量子信息科學(xué)的巨大進(jìn)步。如果只停留在Bohr-Einstein爭論的‘原點(diǎn)’，而沒有Bohm、Bell、Aspect等的工作，目前的量子信息科學(xué)的諸多成就是不可能獲得的?！?/p>

另外，澳大利亞物理學(xué)家G.Millburn在1998年出版的書《The Feynman Processor》中說，相對(duì)論與量子理論是無法協(xié)調(diào)的，而量子糾纏對(duì)所有的人而言都仍然是一個(gè)謎。Milburn認(rèn)為，“大多數(shù)物理學(xué)家(包括我)承認(rèn)，是Bohr贏了這場爭論”；他回顧Bohr對(duì)Einstein的反駁，即“EPR提出的關(guān)于物理實(shí)在的標(biāo)準(zhǔn)包含了晦澀不清的成分，‘不以任何方式擾動(dòng)該系統(tǒng)’的含義不明。不確定性原理認(rèn)為，單個(gè)粒子不存在這種狀態(tài)——既知道其精確的動(dòng)量又知道其精確的位置。EPR思維則暗示，對(duì)未經(jīng)測量的粒子在未與它發(fā)生作用時(shí)也能精確預(yù)言其動(dòng)量或位置。也就是說，如粒子確處于某個(gè)物理態(tài)，當(dāng)人們在遠(yuǎn)處測量其孿生物時(shí)它必同時(shí)有精確的動(dòng)量和位置，因而Heisenberg不確定性原理就有了問題?！瓕?duì)此，正統(tǒng)量子力學(xué)學(xué)派是用“條件態(tài)”的概念來回答——如人們選擇對(duì)粒子I的動(dòng)量做測量，其孿生粒子Ⅱ的條件態(tài)就會(huì)與位置的條件態(tài)不同，它處于有確定動(dòng)量的態(tài)而位置并不確定，因而Bohr認(rèn)為EPR論文并不正確。此外，Milbum認(rèn)為，在這方面正是J.Bell作出了石破天驚的大發(fā)現(xiàn)。

筆者同意上述兩位物理學(xué)家的意見；只補(bǔ)充一點(diǎn)：40多年來Bell型實(shí)驗(yàn)不斷有人用不同方式去做，反復(fù)證明了QM的正確，而且雙粒子互相糾纏的距離也不斷延長——從開始時(shí)的十幾米發(fā)展為百公里、千公里級(jí)。在這樣的用艱苦勞動(dòng)取得的實(shí)驗(yàn)事實(shí)面前如果還要說EPR論文正確，那確實(shí)是違反應(yīng)有的科學(xué)態(tài)度了。

4 量子糾纏態(tài)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)步：從Aspect、Zelinger到Gisin

從1972年到1982年，至少有8個(gè)實(shí)驗(yàn)用來檢驗(yàn)Bell不等式是得到遵守還是被違反，其中有一次(在1975年)還是中國女科學(xué)家吳健雄參加了的。這些實(shí)驗(yàn)都是用光子進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)者用各種方法產(chǎn)生關(guān)聯(lián)雙光子——制備這樣的雙光子源是做纏態(tài)實(shí)驗(yàn)的基本要求。這些實(shí)驗(yàn)總的說來不夠精確，在物理界并未引起大的反響。直到1982年，Aspect實(shí)驗(yàn)的成功才是里程碑性質(zhì)的工作。

Alain Aspect是法國人，出生于1947年。成年后對(duì)量子物理極有興趣，反復(fù)思考EPR論文及Bell論文提出的問題。很湊巧，J.Bell是Aspect博士論文答辯委員會(huì)的一個(gè)成員，而他們也曾在日內(nèi)瓦(CERN所在地)進(jìn)行討論?，F(xiàn)在既然J.Bell已經(jīng)證明了任何的“隱變量理論”都無法復(fù)制出量子力學(xué)所預(yù)測到的所有結(jié)果，尤其是Bohm版EPR實(shí)驗(yàn)中的量子糾纏。完備的量子理論和局域隱變量理論之間有不可調(diào)和的矛盾，這通過Bell不等式清晰地呈現(xiàn)出來。因此，必須設(shè)計(jì)更精確的實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)Bell不等式。Aspect等人在巴黎大學(xué)光學(xué)研究中心展開艱苦工作；許多裝備是自行制作的，雙光子源的設(shè)計(jì)也有改進(jìn)。

結(jié)果是，設(shè)計(jì)的3組實(shí)驗(yàn)均大獲成功，以高精度證明結(jié)果大大違反Bell不等式，而與量子力學(xué)的預(yù)言極為一致。他們的實(shí)驗(yàn)不僅是靜態(tài)的，而且用動(dòng)態(tài)裝置檢驗(yàn)了EPR的可分性(即局域性)原則，為物理學(xué)評(píng)價(jià)提供了可信的根據(jù)。簡言之，Aspect等是先用鈣原子級(jí)聯(lián)輻射產(chǎn)生雙光子，亦即用一對(duì)激光器將鈣原子激發(fā)(雙光子激發(fā))至基態(tài)以成為光源，在源的兩邊各7.5m處有一個(gè)聲光開關(guān)。偏振片以確定的幾率透過或擋住光子。通過電子監(jiān)視光子的命運(yùn)，并評(píng)估關(guān)聯(lián)的級(jí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)光子的測量之間有強(qiáng)相關(guān)，雖然兩套測量儀器之間隔開有15m遠(yuǎn)。Aspect說，實(shí)驗(yàn)表明已不能保持Einstein的物理描述，而QM卻表現(xiàn)得“非常好”。特別值得注意的是第3組實(shí)驗(yàn)；這是非局域性的最終檢測，這個(gè)實(shí)驗(yàn)要證明的是：光子之間究竟是能夠互傳信號(hào)，還是它們在不能互傳信號(hào)的情況下依舊可以對(duì)另方狀況做出即時(shí)反應(yīng)(即量子力學(xué)所預(yù)言的非局域性)。Aspect設(shè)計(jì)出一種偏光裝置，能以極快的速度改變偏光鏡在空間里的方向，因而能夠在光子對(duì)飛出后的一瞬間決定偏光鏡的方向。……第3組實(shí)驗(yàn)也大獲成功，局域性和隱變量再一次輸給了量子力學(xué)。

Bell不等式被精確實(shí)驗(yàn)證明不成立，意味著EPR論文錯(cuò)了，而QM是正確的。這件事對(duì)物理界如同地震；由此而一發(fā)而不可收，從而打開了量子信息學(xué)(quantum information technology)研究的大門。John BeIl的名字則進(jìn)入了科學(xué)史，他的不等式被譽(yù)為“人類歷史上最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一”。Bell的原意是要以更深刻的理論來呼應(yīng)EPR，事態(tài)卻走向了反面。Einstein用來否定量子力學(xué)完備性的EPR思維，反而成了證明量子理論完備性的科學(xué)思想。對(duì)粒子Ⅰ量子態(tài)的測量已證明會(huì)影響一定距離外的粒子Ⅱ的量子態(tài)，而“EPR光子對(duì)”、“Bell基”等已成為大家熟悉的名詞。做Bell類型實(shí)驗(yàn)，首先遇到的問題是如何造成Bohm論述的所要求的雙粒子體系。自然界似乎為人類實(shí)驗(yàn)做好了準(zhǔn)備，一個(gè)常見的方法是利用原子級(jí)聯(lián)輻射產(chǎn)生雙光子。另一個(gè)常見方法是利用正負(fù)電子對(duì)湮滅輻射時(shí)產(chǎn)生雙γ光子，它們不僅發(fā)射方向相反，與相反分量相應(yīng)的極化也相反。

自1982年以后，國際科學(xué)界又做了多次實(shí)驗(yàn)，都證明結(jié)果違反Bell不等式，而與QM相符。在1982年以來的25年中，糾纏態(tài)實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)粒子的距離，由15m→400m→25km→144km，進(jìn)展驚人。2007年在以量子糾纏為基礎(chǔ)的量子通信距離方面創(chuàng)下紀(jì)錄(這里的“通信”一詞是廣義的)。報(bào)道說，一個(gè)由奧地利、英國、德國研究人員組成的小組在量子通信研究中創(chuàng)下了通信距離達(dá)144km。研究小組首先在西班牙加那利群島的拉帕爾馬島上制造出偏振糾纏光子對(duì)，然后把光子對(duì)中的一個(gè)光子留在拉帕爾馬島，另一個(gè)光子則通過光路傳送到144km外的特內(nèi)里費(fèi)島上。難以解釋的是這種相互作用竟與距離無關(guān)，144km也決非上限?！婀值牧孔犹匦源碳ち宋锢韺W(xué)家們做更多研究，他們已認(rèn)識(shí)到糾纏態(tài)問題是QM基礎(chǔ)理論中的關(guān)鍵性內(nèi)容之一。兩個(gè)互相糾纏的粒子遠(yuǎn)隔千山萬水卻能協(xié)調(diào)行動(dòng)，的確是大自然奇妙性的證明。

Anton Zelinger于1945年在奧地利出生，后來任維也納技術(shù)大學(xué)教授，與美國MIT有密切的學(xué)術(shù)聯(lián)系。他曾是潘建偉的博士生導(dǎo)師，如今是奧地利科學(xué)院院長。他的團(tuán)隊(duì)于1997年12月在《Nature》上發(fā)表題為“Experimental quantum teleportation”的論文，通常被認(rèn)為是“量子隱形傳態(tài)”研究的開山之作。量子隱形傳態(tài)是指將一個(gè)粒子的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)粒子上，這第二個(gè)粒子可能在遙遠(yuǎn)之處，實(shí)際上就是將頭一個(gè)粒子隱形傳輸?shù)搅硪粋€(gè)位置。隱形傳態(tài)是我們所能想到的對(duì)糾纏現(xiàn)象的精彩應(yīng)用；但是，不恰當(dāng)?shù)慕榻B和宣傳只會(huì)招來嘲笑和反對(duì)，因?yàn)檫@個(gè)teleportation與把一個(gè)物體(或一個(gè)人)“發(fā)送”到遠(yuǎn)方毫無共同之處。Zelinger團(tuán)隊(duì)的文章，第一作者是D.Bouwmeester，第二作者是潘建偉(J.W.Pan)；在6位作者中最后署名的是A.Zelinger。文章所報(bào)道的工作曾被評(píng)為當(dāng)年物理學(xué)10大成果之一。通過對(duì)攜帶極化信息的初始光子及EPR關(guān)聯(lián)對(duì)中的另一光子進(jìn)行聯(lián)合的Bell態(tài)測量，使關(guān)聯(lián)對(duì)中的另一光子獲得了初始光子的極化信息，而后者可距初始光子任意遠(yuǎn)。簡言之，實(shí)驗(yàn)是遵循美國IBM公司科學(xué)家C.Bennett等人于1993年提出的實(shí)驗(yàn)方案；正是由于利用了糾纏光子對(duì)，你才可以發(fā)送出去一個(gè)量子態(tài)，而根本不曾測量它。

對(duì)Bennett方案的通俗說明如下。采用兩種渠道：一是量子渠道，一是經(jīng)典渠道。量子渠道由一對(duì)糾纏粒子組成，一個(gè)在Alice處，一個(gè)在Bob處。兩個(gè)粒子間的糾纏態(tài)便是Alice和Bob之間的看不見的聯(lián)系。這種聯(lián)系非常脆弱，必須把糾纏粒子對(duì)與環(huán)境隔離開來才能得以保存。現(xiàn)在又有一位實(shí)驗(yàn)員Charlie，給了Alice另外一個(gè)粒子，這個(gè)粒子的量子態(tài)才是要從Alice處傳到Bob處的信息。Alice不可能在讀取信息之后再傳給Bob，因?yàn)楦鶕?jù)量子力學(xué)規(guī)則，讀取信息(即測量)的行為會(huì)不知不覺地改變信息本身，從而導(dǎo)致無法獲取全部的信息。Alice測量到Charlie給她的粒子和她手里那個(gè)與Bob的粒子相糾纏的粒子這兩個(gè)粒子的聯(lián)合特性。因?yàn)榧m纏的關(guān)系，Bob的粒子立即做出反應(yīng)，傳達(dá)出Alice處的量子信息——其余的信息則由Alice通過測量用經(jīng)典渠道傳遞給Bob。這部分信息會(huì)告訴Bob應(yīng)當(dāng)如何處置他手里的糾纏粒子才能完完全全地將Charlie的粒子狀態(tài)變成他自己的粒子狀態(tài)，從而完成對(duì)Charlie的粒子的隱形傳態(tài)。值得注意的是，無論是Alice還是Bob都不知道被傳送和接收的量子態(tài)是什么?！璟elinger團(tuán)隊(duì)的糾纏實(shí)驗(yàn)距離達(dá)到數(shù)百米。

現(xiàn)在要談到早期研究量子糾纏成績斐然的第3個(gè)團(tuán)隊(duì)，它由瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)教授N.Gisin領(lǐng)導(dǎo)。Nicolas Gisin于1982年出生于日內(nèi)瓦，后來曾見到J.Bell；他投身于糾纏態(tài)實(shí)驗(yàn)，初始的距離只有35m；后來用光纖做實(shí)驗(yàn)，距離達(dá)到10.9km?！嗄昵耙晃晃锢斫缗笥褑柟P者：“量子力學(xué)中非局域長程關(guān)聯(lián)是否瞬時(shí)作用？如不是，傳遞速度有多快，是否超光速的？這種超空間關(guān)聯(lián)的物理本質(zhì)是什么？”這問題提得好，Gisin團(tuán)隊(duì)的研究正是要回答這個(gè)問題。2008年該團(tuán)隊(duì)的Salart等將一對(duì)糾纏態(tài)光子分離，并通過兩根光纖，分別從Geneva大學(xué)發(fā)送到兩個(gè)村莊，光子間隔為18km(大致呈東西向)，而源精確地處在中間。地球的旋轉(zhuǎn)使他們可以在24h周期中測試全部可能的假設(shè)性優(yōu)越參考系。在一日的所有時(shí)間中，觀察到高于由Bell不等式確定的閾值的雙光子干涉條紋。由這些觀測得出結(jié)論，所看到的非局域相關(guān)和過去實(shí)驗(yàn)顯示的一樣是真正非局域的。糾纏態(tài)的傳遞速度不是瞬時(shí)的(vqi≠∞)，而是至少比光速大一萬倍(vqi≥104c)的超光速；據(jù)說甚至可達(dá)107c，但并非無限大。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Gisin說“出現(xiàn)了光子間某種影響是以超光速傳遞的情況”(Some kind of influence appears to be traveling faster than light)；而且Gisin認(rèn)為這意味著相對(duì)論的時(shí)空描述有缺陷。中國科學(xué)家也發(fā)表了看法，2010年物理學(xué)家沈致遠(yuǎn)指出：“處于糾纏態(tài)的兩個(gè)光子之間具有超光速相互作用，測定一個(gè)光子的自旋，遠(yuǎn)處的另一個(gè)光子自旋立即相應(yīng)改變。Einstein稱之為‘怪異的超距作用’。最近瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的一個(gè)研究組在光子糾纏實(shí)驗(yàn)中測得其速度至少超過光速一萬倍。奇怪的是，許多物理學(xué)教科書和論文的作者卻異口同聲說，這并不違反狹義相對(duì)論(SR)，因?yàn)槿藷o法用來傳遞信息?？墒枪庾哟_實(shí)用來傳遞了信息，否則糾纏光子怎么會(huì)‘知道’遠(yuǎn)處的另一個(gè)光子自旋改變了呢？……物理學(xué)不是‘人理學(xué)’，為什么必須是人傳遞信息才算數(shù)？這種觀點(diǎn)其實(shí)是另一版本的人本原則——以人的主觀作用作為客觀規(guī)律之判據(jù)。但科學(xué)尤其物理學(xué)是客觀的，糾纏光子之間具有超光速作用，是許多實(shí)驗(yàn)證明的客觀存在，這是無法否定的。我們必須放棄主觀偏見，承認(rèn)糾纏態(tài)中超光速傳遞信息是客觀事實(shí)?！?著重點(diǎn)為筆者所加)。

5 量子糾纏態(tài)從理論研究向?qū)嵱眉夹g(shù)的轉(zhuǎn)化

量子物理學(xué)的原理性研究何時(shí)以及怎樣轉(zhuǎn)化為實(shí)用的量子通信的？為討論這個(gè)問題需要對(duì)“量子通信”一詞有確切的定義。按照筆者的理解，它首先是指人類之間的通信，而非某種自然界天然存在的信息交換。其次，它指的不是僅靠量子技術(shù)的幫助下在通信裝備上所作的改進(jìn)，而是基于一種全新的原理。因此，不是可以隨便就說某國(或某單位、某人)實(shí)現(xiàn)了量子通信。

不妨舉個(gè)例子；2014年有報(bào)道說：首條量子通信線路在俄羅斯圣彼得堡國立信息技術(shù)與光學(xué)大學(xué)啟用。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家將兩棟教學(xué)樓通過地下光纜用量子信道連接。2016年6月，俄量子中心宣布在俄羅斯天然氣工業(yè)銀行兩家支行間啟用首條“城市”通信線路；交換的不僅是信息加密所必需的量子密鑰，還有數(shù)據(jù)本身?！鶕?jù)上述報(bào)道，我們能否相信俄羅斯已掌握了量子通信技術(shù)并開始實(shí)用化進(jìn)程？也許可以，也許還不行。

2018年1月5日英國《每日郵報(bào)》報(bào)道說，澳大利亞Grifes大學(xué)量子動(dòng)力學(xué)研究中心的研究人員把重點(diǎn)放在解決下述問題上——在光子傳輸過程中通過吸收或分發(fā)而丟失光子，則可能威脅到通信系統(tǒng)的安全性。隨著量子信道的長度增加，順利通過通信連接的光子越來越少，因?yàn)椴淮嬖谕耆该鞯奈镔|(zhì)，吸收和分發(fā)會(huì)對(duì)其造成影響。這對(duì)于現(xiàn)有量子非局域性驗(yàn)證技術(shù)來說是一個(gè)問題。每丟失一個(gè)光子，就使竊聽者通過模擬量子糾纏攻破網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)置變得更容易。解決的辦法是，挑選在高損耗信道幸存的光子，將它們通過量子隱形傳送傳輸?shù)搅硪粋€(gè)“干凈的”量子信道。為了完成量子隱形傳送，研究人員額外增加了成對(duì)的高質(zhì)量光子。必須高效率發(fā)送和探測這些高質(zhì)量光子，使其能夠彌補(bǔ)光子丟失。在工作中，研究人員使用了與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所聯(lián)合開發(fā)的光子源和探測技術(shù)。

我們應(yīng)當(dāng)思考澳大利亞人的這項(xiàng)研究的核心思想。必須認(rèn)識(shí)到這是一種驗(yàn)證——證實(shí)在不同地點(diǎn)的光子顯示出量子非局域性。如果驗(yàn)證失敗，即意味著可能有竊聽者侵入通信網(wǎng)絡(luò)；這一點(diǎn)非常耐人尋味！澳大利亞科學(xué)家正是利用量子隱形傳態(tài)開發(fā)了一種要求很高的新驗(yàn)證法，以揭示光子是否得以通過，并從一開始就排除了任何失靈的通信連接。

因此，真正的量子通信一定是建筑在對(duì)量子糾纏態(tài)和量子隱形傳送的基礎(chǔ)之上；不使用這種原理和方法的都不進(jìn)入我們的視野。我們沒有必要過多敘述中科大團(tuán)隊(duì)走過的路，這方面的事情應(yīng)由他們自己來解釋?！覀円プ×孔油ㄐ诺母军c(diǎn)——它所許諾的不可破解的保密性。傳統(tǒng)的密碼系統(tǒng)是利用兩個(gè)極大的質(zhì)數(shù)相乘產(chǎn)生的積來加密，這會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間并耗費(fèi)太多計(jì)算機(jī)處理能力。量子系統(tǒng)是通過將數(shù)據(jù)交流僅限于兩方——發(fā)送方和接收方，而采用了更簡單的方法。糾纏光子被發(fā)送到兩個(gè)事先用特定偏振態(tài)進(jìn)行編碼的站點(diǎn)。衛(wèi)星利用測量偏振態(tài)創(chuàng)造安全密鑰，站點(diǎn)可利用安全密鑰加密或解密數(shù)據(jù)。這在技術(shù)上是不可破解的，因?yàn)槭褂谜呖梢院芸觳煊X到第三方的出現(xiàn)：任何竊聽者不改變它、甚至是不摧毀它就無法看到這些光子。也就是說，量子力學(xué)的原理使得傳輸在不被發(fā)送者或接收者發(fā)現(xiàn)的情況下被截獲是不可能的。

2018年1月19日出版的《Phys.Rev.Lett.》刊登論文，重點(diǎn)敘述了中國在量子加密技術(shù)方面的突破。文章說，從歷史上看，密碼技術(shù)的每次進(jìn)步都已經(jīng)被破解技術(shù)的進(jìn)步所打敗。量子密鑰分發(fā)終結(jié)了這場戰(zhàn)斗；就像現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中用以打開加密文件的密碼一樣，量子密鑰也是一些長字符串，但它們被編碼在量子粒子的物理狀態(tài)中。這意味著它們不僅受到計(jì)算機(jī)極限的保護(hù)，同時(shí)還受到物理學(xué)定律的保護(hù)?，F(xiàn)在，量子密鑰可以通過衛(wèi)星傳輸，對(duì)相隔萬里的城市間發(fā)送的信息進(jìn)行加密。

中國科學(xué)院曾發(fā)布一個(gè)新聞稿，其中有一段話說：“傳統(tǒng)公鑰加密通常依賴特定數(shù)學(xué)函數(shù)的求解難度。相比之下，量子密鑰分發(fā)采用處于疊加態(tài)的單個(gè)光子來確保相互遠(yuǎn)離的各方之間的無條件安全性?！夹g(shù)原因此前將這種通話限制在數(shù)百公里的距離內(nèi)，但我們發(fā)現(xiàn)了該問題的一個(gè)有前景的解決方案，方案涉及墨子號(hào)衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星配有一個(gè)誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)光源、一個(gè)量子糾纏源以及量子隱形傳態(tài)接收和分析裝置。此外還在西藏等地建造了5個(gè)地面站。目前正對(duì)這種加密通信系統(tǒng)進(jìn)行測試，以便政府、銀行、證券和保險(xiǎn)企業(yè)能在今后加以運(yùn)用”。

因此，中國并未回避量子通信必須具備高度保密性的話題。中國科學(xué)院的科學(xué)家們說：“在墨子號(hào)衛(wèi)星發(fā)射一后的一年里，我們在構(gòu)建‘量子網(wǎng)絡(luò)’之路上邁出了三大步：實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面1200公里距離的量子密鑰分發(fā)；從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)；以及進(jìn)行量子保密視頻通話的第一組實(shí)驗(yàn)。得益于此，我們將通信質(zhì)量提高到光纖通信的20倍?！敝锌圃悍Q，墨子號(hào)已第一次用于實(shí)際通信。中科院院長白春禮與奧地利科學(xué)院院長Zelinger進(jìn)行了世界首次洲際量子保密視頻通話。這次通話使用的量子密鑰先通過“京滬干線”北京控制中心與墨子號(hào)衛(wèi)星河北興隆地面站連接，然后通過墨子號(hào)進(jìn)入奧地利地面站?！熬删€”是一條連接北京、上海并貫穿濟(jì)南和合肥的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)。擁有量子通信地面站的維也納和格拉茨之間也有類似的網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)和墨子號(hào)幫助在北京和維也納之間建立了連接，從而實(shí)現(xiàn)兩位科學(xué)家的量子保密視頻通話。

筆者認(rèn)為，只要上述情況都是真實(shí)的，那么我們可以得出結(jié)論說：高保密性的遠(yuǎn)距離量子通信是在2017年實(shí)現(xiàn)了。鑒于網(wǎng)上的質(zhì)疑文章大多寫于2017年之前，不知大多數(shù)作者是否已能接受筆者的說法？

還應(yīng)指出，中國的研究團(tuán)隊(duì)已誠實(shí)地承認(rèn)，墨子號(hào)衛(wèi)星同地球之間的聯(lián)系仍非絕對(duì)安全。正如他們的論文所說，缺陷在于衛(wèi)星本身。只有通信方相信沒有懷有惡意的宇航員秘密闖入衛(wèi)星本身，從源頭讀量子密鑰，這個(gè)系統(tǒng)才沒有問題。……其次，一些西方的分析人士認(rèn)為，這一技術(shù)是不完善的，因?yàn)樗兄逃械娜觞c(diǎn)：它依賴于激光，激光通常被調(diào)到低強(qiáng)度時(shí)，會(huì)意外地復(fù)制光子；第—個(gè)光子可被加密，但第二個(gè)不能。因此，現(xiàn)在說這一技術(shù)“絕對(duì)安全”尚為時(shí)過早，媒體宣傳可能有些過份了。

6 結(jié)束語

量子理論包含量子力學(xué)(QM)、量子場論(QFT)等豐富內(nèi)容，長期以來停留在基礎(chǔ)研究的層面。上世紀(jì)末到本世紀(jì)初，量子信息學(xué)(QIT)開始發(fā)展，速度越來越快。現(xiàn)在有三個(gè)方向是：量子計(jì)算機(jī)(quantum computer)、量子通信(quantum communication)、量子雷達(dá)(quantum radar)，在這幾方面中國都有科研機(jī)構(gòu)在做。這是正確的，因?yàn)樗鼈兿笳魑磥?。有一句老話說：“世界潮流浩浩蕩蕩，順之者昌逆之者亡”；如果中國放棄這些方向，恐怕會(huì)犯戰(zhàn)略性錯(cuò)誤。

量子通信以量子非局域性和量子糾纏態(tài)為基礎(chǔ)，后者被稱為物理學(xué)中的最大謎團(tuán)(the greatest mystery in physics)。它顯得怪異，但卻是由實(shí)驗(yàn)證實(shí)的事實(shí)。既然多國的實(shí)驗(yàn)室早就能制備互相糾纏的雙光子(亦稱EPR光子對(duì))并在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，而互相糾纏的距離也一再在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造出新記錄，再說“量子糾纏是魔術(shù)、巫術(shù)”就不合適了！

有的物理學(xué)家和通信專家轉(zhuǎn)不過這個(gè)彎子，被傳統(tǒng)思維捆住手腳，竊以為非國家之福。當(dāng)然，新技術(shù)從幼稚走向成熟需要一個(gè)過程，人們應(yīng)多一些理解。不管怎么說，量子理論走出了象牙塔是好事；而任何技術(shù)是否具有價(jià)值，時(shí)間都會(huì)證明一切；對(duì)此我們拭目以待。

有一句話說：“這個(gè)世界比我們所能想象的還要奇怪”。因此，我們應(yīng)當(dāng)敬畏自然，在她面前永遠(yuǎn)保持謙虛。宋健院士曾說：“終極真理還在極遠(yuǎn)處”，講的是人類的理性思維時(shí)間還太短，真正的自然科學(xué)自誕生至今只有數(shù)百年。這些話都能讓我們清醒。

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