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《少年科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

《少年科学画报》坚持向少年儿童传播科学思想,普及科学知识,传递科技信息,传授科学方法,激发少年儿...

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让“墨子”讲讲“量子”那点事儿

2017-10-11 09:53:00

  你看过动画片《秦时明月》吗?在这部动画片讲述的诸子百家中,最有意思的是墨家,他们不但行侠仗义,而且还精通机关术、机关鸟、机关虎以及可以千变万化的“非攻”等等,这些神通广大的本领实在是太令人神往了。

  两个“墨子”都厉害

  墨家的开创者叫作墨翟,我们尊称他为“墨子”。在真实的历史中,墨子阻止了楚国侵略宋国的战争,发明了很多种器械,而且对基础科学也有突出的贡献。墨子讨论过思维的规律(其实就是“逻辑学”),还发现了光学中的“小孔成像”现象。但遗憾的是,当时绝大多数人都没有意识到科学技术的重要性,墨子的所作所为在当时绝对是个异类。

  墨子的科学思维没有发扬光大,被遗忘了两千多年。中国虽然做出了“四大发明”等重要的技术成就,但没有发展出现代科学。到了近代,我们蓦然发现,中国的科技已经远远落后于西方国家了。这时我们回头看,才认识到墨子的卓尔不群。

  不过,不甘落后的我们在经过了几代人的奋斗以后,现在已经在不少领域达到了世界先进水平。其中一个标志性的例子,就是2016 年8 月16 日中国发射的量子科学实验卫星“墨子号”。这是我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星,这不仅是中国在量子科学方面,也是世界在这一领域所取得的重大进展。

  这颗卫星的名字里有“量子”两个字,听上去很高深莫测,量子究竟是什么?这颗卫星和其他的通讯卫星又有哪些不同呢?它有什么不得了的本领?且让我给你一一道来。

  量子力学就在身边

  提到“量子”,我们得先来知道几个基本的物理概念。你应该听说过,物质是由非常微小的原子组成的,原子又是由质子、中子和电子组成的。描述这个非常微小的世界(微观世界)的基本物理规律,就叫作“量子力学”。

  量子力学最初是在1900 年提出的,我们用量子力学理解了微观世界,才能理解宏观物质的各种性质,例如固体为什么有固定的形状,液体为什么会流动;为什么有些物质能导电,有些物质不导电;为什么有些物质能发光等等。人类根据量子力学的原理,还发明了晶体管、激光器……而你身边的手机、电视等设备,也离不开量子力学,可以说量子力学在我们的日常生活中无处不在。

  量子信息不简单

  近30 年来,量子力学与信息科学结合,产生了一门新的学科“量子信息”。想想手机和计算机,信息科学的主题分为通信和计算,所以量子信息也包括量子通信和量子计算。量子信息可厉害了,能做到很多传统的信息科学做不到的事。

  幻影移形:在科幻电影中,我们经常可以见到一种“传送术”。这不是完全的幻想,而是有科学原理的,这个科学原理叫作“量子隐形传态”,是量子通信的一个分支。它可以把一个体系的状态“移动”(不是“复制”)到另一个体系上,移动的速度不高于光速(还不能算“瞬间”移动)。打个比方,最初A 体系是红色的,量子隐形传态可以让远处的B 体系变成红色。与此同时,A 体系的红色就消失了,变成了其他颜色。任何时候都不会有两个红色的体系。但目前由于技术限制,我们能做到的只是传送一个粒子的状态,离传送人体还有非常远的距离。不过,梦想还是要有的——毕竟这个科学原理是正确的!

  不断增强的解密能力:在许多谍战片里,人们为了保密,与窃密者龙争虎斗,拼尽全力。传统的保密方法有两种,一种叫作“对称密码体制”,另一种叫作“非对称密码体制”。前者的通信双方都拥有同一套密码本。用密码本给文字加密后,密文就不会被敌人破译。但是,密码本需要信使来传递,而信使可能被抓或是叛变,这样密码就会被破译了。

  为了避免使用信使,人们发明了非对称密码体制。接收方先制造一把“锁”和相应的“钥匙”,然后把“锁”发给发送方。发送方把要发的信息用这把“锁”加密后再发回给接收方。接收方收到信息以后,再用手里的“钥匙”解密,就得到了原文。这种方法的关键在于用“钥匙”很容易解“锁”,但单凭“锁”却很难找到“钥匙”。举个例子,我们把两个上千位的质数(“钥匙”)相乘很容易得到一个合数(“锁”),而把一个上千位的合数(“锁”)分解成两个质因数(“钥匙”)就非常困难。以这种“因数分解”问题为基础的保密方法,是目前最常用的非对称密码体制。

  非对称密码体制是一个很巧妙的想法,但它的安全性依赖于数学问题的困难性。如果计算技术进步了,就有可能破解原来可用的密码体系,量子计算机就是对这套体制的一个挑战。1994 年,有一位科学家发明了一种量子算法(量子因数分解),可以快速把一个合数分解成两个质数。不过,现有的量子计算机能力还很弱,目前分解的最大的数只是一个六位数(291311= 523×557)。但随着技术的进步,量子计算机的分解能力在逐步增强,破解密码的能力也会大幅提高。

  强大的保密能力:有趣的是,除了解开密码,量子信息又提供了超越传统密码术的、不可破解的保密方法,叫作“量子密码术”。这种方法的妙处就是不用信使,就可以让通信双方获得相同的密码本。这样,既不怕密文被计算机破译,也不怕信使被抓,实现了以前无法想象的安全性。这种安全性缘于在量子密码术中,密码本并不是一开始就有的,而是在双方建立联系后,根据量子力学原理进行一系列操作后,在双方同时产生的。由于量子力学的特性,双方不需要看对方的数据,就可以确认对方的密码本是否跟自己的完全一样。

  “墨子号”的厉害

  目前,我国的科学家在量子隐形传态、量子因数分解、量子密码术方面,已经取得了最先进的实验成果,而这样的科研成果正在不断增加。

  以前的量子信息实验,都是在地面上通过光纤传输光来实现的。而“墨子号”卫星的目标,是不通过光纤传输,而是让光直接穿过大气层和太空,在卫星和地面接收站之间进行量子信息实验。而我们把这颗卫星命名为“墨子号”,也是包含着纪念墨子对光学的贡献的意思。

  卫星与地面时刻处于高速的相对运动状态,要想把双方的信号探测仪器对准并进行科学试验,堪称天地之间的“针尖对麦芒”,精度相当于“在50 千米以外,把一枚1 角硬币扔进一列全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里”。

  这次上天的“墨子号”要完成三大项科学任务:星地之间的“量子密码术”,星地之间的“量子隐形传态”和星地之间的“量子纠缠分发”。其中,跟我们日常生活关系最密切的,是星地之间的“量子密码术”。原来在地面上,量子密码术在光纤中安全通信的距离最多只有几百千米。现在通过卫星作为中介,相距上万千米的两地都可以安全通信了。以后再发射20颗同样的卫星,就可以把信号覆盖到全球范围内,实现全球范围内的绝对保密通信。

  量子纠缠是量子力学中一种有趣的现象。当两个粒子处于一种叫作“纠缠态”的状态时,测量其中1 号粒子的状态,比如说有“左”和“右”两种结果,你有一半的概率发现1 号粒子处于“左”,一半的概率发现它处于“右”。而与此同时,2 号粒子也必然变成某个相关的状态。例如对于一个常用的纠缠态,2 号粒子就总是变成跟1 号粒子相同的状态。1 号变成“左”,那么它也变成“左”,1 号变成“右”,那么它也变成“右”。在测量之前,你无法预测单独一个粒子会变成什么状态,但可以确定这两个粒子必然会同步变化,就好像两个粒子有心灵感应一样。

  量子纠缠是量子信息的一个重要的工具,量子隐形传态就是依靠量子纠缠实现的。星地之间的“量子纠缠分发”,就是制备一对处于纠缠态的粒子,让其中一个位于卫星上,另一个位于地面站,这是我们将来实现多种科学研究和应用的基础。

  到2017年8月,我们的“墨子号”已经成功完成了这三项科学任务。在科研人员的努力下,量子密码术已经接近了产业化,这是近代以来第一次由中国创造的一个新的产业。而在追求科学的道路上,我国的科学家还在不断前行。

  卫星上天,“墨子”重光。这新时代的光芒,将会把科学精神更加发扬光大!

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