建设量子“京沪干线” 梦想“瞬间移动”

近日，英国物理学会新闻网站《物理世界》公布了2015年度全球物理学界的10项重大突破。中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多自由度量子隐形传态”名列榜首，被评为“年度突破”。这是《物理世界》首次将这一殊荣授予中国科学家在本土做出的成果。

“量子科学实验卫星”和“京沪干线”示意图。

何为量子隐形传态？记者采访了中科大上海研究院陆朝阳教授。据介绍，明年我国将发射全球首颗“量子科学实验卫星”，全球首条量子通信保密干线——“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也将建成。在上海政府部门、科研机构的大力支持和参与下，量子通信战略性新兴产业正在孕育。

上帝不会掷骰子？

要介绍量子通信和量子隐形传态，还得从量子力学讲起。这是一个与牛顿力学等经典力学差异很大的物理学分支，由普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔等物理学家创立，是迄今为止描述微观世界最准确的理论。

中科大专家介绍，一个物理量如果不能连续变化，只能取一些分立的值，我们就说这个量是量子化的。好比上台阶，只能上一个台阶，而不能上半个。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化，但在微观世界，许多物理量是量子化的。如氢原子中电子的能量只能取一个基本值——-13.6电子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等，而不能取其2倍或1/2、1/3。

量子力学描述世界的语言与经典力学有根本区别。经典力学描述一个粒子的状态，会给出它在什么位置、具有什么动量；　量子力学给出的则是态矢量。简而言之，态矢量是一种概率。量子力学对粒子状态的描述都是概率——这个粒子有可能在这里，也可能在那里，没有确定的位置。显然，这与我们在宏观世界中形成的常识相悖。莫非是由于粒子运动速度太快，观测者看不清吗？非也。量子力学认为，粒子状态的不确定性是一种客观真实的状态，而不是因为我们获得的信息不全。

打个比方，有些状态可以用指向为上、下、左、右的箭头表示，于是我们定义“方向”为一个物理量，但是还有些状态是一个圆，圆状态与箭头状态同样真实，只是没有确定的方向而已。如果对圆状态测方向，它会以相同的概率变成任何一个箭头状态。同样道理，科研人员制备多个具有相同状态的粒子，将测量其位置的实验重复多次，发现每次实验结果都不一样。量子力学认为这很正常，因为微观粒子的状态在本质上具有随机性，同样的原因可以导致不同结果。

这颠覆了经典力学对确定性的信念。爱因斯坦虽然是量子力学的缔造者之一，但终其一生，都不接受这套理论所认可的随机性。他说了一句名言：“上帝不会掷骰子”。

“瞬间移动”理论上可行

1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出一个名为“EPR”（三人姓名的首字母）的思想实验：制备A、B两个粒子的“圆”态，使它们在这一状态中的某个性质（如电子的自旋角动量、光子的偏振）相加等于零，而单个粒子的这个性质不确定；　再将它们在空间上分开得很远（例如几光年）；随后测量粒子A 的这个性质。当测得　A　是“上”，那么测量者立刻就知道B的性质是“下”。

上世纪80年代，技术条件成熟后，法国的阿斯佩克特等人做了EPR实验。结果发现：EPR　对粒子居然真的具有超时空关联！爱因斯坦为驳倒量子力学而构思的实验，反而证明这套理论是正确的。陆朝阳解释说，这两个粒子被称为处于“纠缠态”，无论相隔多远，一个粒子的量子态确定时，另一个粒子的量子态也瞬间确定。但两者之间并不能用于信息的传输，因此不违反相对论。

1993年，科学家提出，利用这种鬼魅似的超时空关联，可以进行量子隐形传态——把粒子A的未知量子态传输给远处的粒子B，让B 的状态变成A的最初状态。这种技术一旦实现，有助于实现无条件安全的超远距离保密通信。所谓“无条件安全”，是指原理上不可破译，无论窃听者的能力有多么强大。

1997年，奥地利因斯布鲁克大学塞林格、潘建伟等人在《自然》上发表论文，首次实现单个光子的单个自由度的量子隐形传态。2015年，已是中科院院士的潘建伟和陆朝阳等人实现了单个光子的2个自由度的量子隐形传态。所谓“自由度”，是描述一个体系所需的变量数目。从1到2，这一看似简单的跨越，物理学界探寻了18年，最终由中国团队折桂。

此前，潘建伟团队还在青海湖实现了100公里的量子隐形传态，创造世界纪录，并实现了冷原子团直接的量子隐形传态。这些成果给人们带来了很大的想象空间。今后，科学家有望实现更复杂物理的隐形传态。“物理学家已经在思考，如何将一个细菌的量子态进行隐形传输。或许在遥远的未来，我们能用这种原理实现人的瞬间传输：上午你在上海，中午瞬间移动到巴黎，吃顿法国餐，然后回上海继续工作。”陆朝阳说。

京沪金融通信绝对安全

当《七龙珠》中的瞬间移动术还是梦想时，量子保密通信技术已逐步成熟，达到了可以产业化的阶段。在这一领域，潘建伟团队取得了多项重大原创性科研成果，已占据国际引领地位。

预计明年7月，我国将发射“量子科学实验卫星”，率先实现高速星地量子通信。这颗由中科大、中科院上海技术物理研究所、上海微小卫星工程中心、中科院成都光电技术研究所联合研制的卫星，将在国际上率先开展空间尺度的量子保密通信、纠缠分发和超远距离的量子隐形传态实验。

对于量子保密通信，潘建伟解释说，经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。如两人打电话时，他人可通过窃听器，从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子，使其进入另一根线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。量子通信与之不同，不但有信号0和1，还拥有0+1、0-1等量子叠加态。根据量子力学的不确定性原理和不可克隆原理，量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，有可能“塌缩”成另一个量子态。这样一来，通信双方能立即察觉。

实际应用量子通信的主要困难，是长距离传输过程中会出现信号损耗。为解决这一问题，潘建伟想到了卫星，因为外太空环境接近真空，信号损耗很小。“量子科学实验卫星”如果成功，我国有望在未来发射多颗量子通信卫星，逐步建立覆盖全球的量子通信网络。

与此同时，地面上的量子通信网络也在紧锣密鼓的建设中。国家发改委立项的“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程，将于明年完成验收并交付使用。其长度达2000公里，有10多个节点，从北京出发，经过济南、合肥，到达上海。利用这一高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，京沪两地的金融机构可以进行保密通信，包括电话、视频通话、电子邮件，达到“无条件安全”级别。

在张江高新区管委会、市科委、浦东新区政府等大力支持下，中科大上海研究院团队正在建设上海量子通信产业园，包括陆家嘴金融量子保密通信应用示范网、量子通信上海总控中心与大数据服务中心，作为“量子科学实验卫星”“京沪干线”等国家重大任务在上海落地的公共服务平台。这些重大工程及其带动的产业，将成为上海科技创新中心建设的一大亮点。记者　俞陶然