量子比特与比特币(汇编20篇)

在20世纪，物理学领域有许多天才，群星闪耀。其中，爱因斯坦是最耀眼的。他成了人类智力巅峰的象征。他的名字如此耀眼，以至于站在他旁边的另一座“山峰”很少被公众所知。

这个“高峰”是丹麦人民的骄傲，是量子力学之父，哥本哈根学派的创始人，诺贝尔物理学奖获得者尼尔斯·玻尔。

玻尔(网络图)

大智慧傻瓜的童年

1885年10月7日，玻尔在哥本哈根出生。他的父亲克里斯蒂安·波尔是哥本哈根大学的生理学教授。他的母亲出生在一个富裕的犹太家庭。玻尔从小就受到良好的家庭教育。他思维敏捷，善于思考，非常喜欢足球。与思维敏捷相比，玻尔有点笨拙。有一次，弟弟哈罗德提议玩“打对方”的游戏。油嘴滑舌的哈罗德使他哥哥的脸变得又红又白，不知所措的玻尔恳求他的弟弟不要再说话了。当轮到玻尔攻击他的弟弟时，他看到自己紧闭着嘴唇，表情严肃。经过几分钟的认真思考，他终于挤出了一句话:“你的衣服上有一个污迹”。听到这话，我弟弟差点笑得上气不接下气。

还有与笨拙的语言和舌头相伴的写作。经常和父亲一起散步的玻尔在写《散步》的作文时写道:“我和父亲去港口散步，看到船在装卸货物。”这是整篇作文中唯一的一句话！然而，玻尔非常满意，觉得自己非常流线型。更独特的是一篇关于“自然力的日常使用”的作文。经过仔细考虑，玻尔用“我的家庭不使用自然力”的句子完成了这篇作文。

除了说话和写作笨拙之外，玻尔也很严肃。一次上绘画课，老师让每个人画自己的房子。画了一会儿之后，波尔突然要求回家。老师问他为什么。玻尔认真地回答:“回去数一下墙的柱子。”后来，人们发现波尔画中的柱子和他家的完全一样。

玻尔正在教学(网络图)

科学家和明星

波尔最喜欢的运动是足球。18岁被哥本哈根大学录取后，他很快成为大学足球俱乐部的明星守门员，后来成为当时丹麦巨人队的守门员。令人印象深刻的是，他经常心不在焉地在足球场上守着球门，靠在门柱上思考，或者用粉笔在门框上复述公式。结果，原本可以轻松扑出的球很容易就进了网，让对手赢得了比赛。

守门员(网络图)

1911年，当波尔为他的博士论文辩护时，丹麦国家足球队的所有成员都参加了。他们承认他们听不懂波尔的讲话，但这并不妨碍他们欢呼。1922年，当玻尔获得诺贝尔奖时，丹麦媒体普遍采用“授予著名足球运动员尼尔斯·玻尔诺贝尔奖”的称号。后来，玻尔进入了一所科学研究所，专心研究原子物理学。他没有忘记他热爱的足球。他仍然坚持在业余时间参加足球训练或比赛，是一个真正的“科学家之星”。

举世闻名的“哥本哈根精神”

1921年，玻尔拒绝了导师卢瑟福的工作邀请，成立了哥本哈根大学理论物理研究所，担任所长。该研究所吸引并培养了一大批杰出的物理学家，如海森堡、狄拉克、泡利等。，形成了举世闻名的“哥本哈根学派”，对量子力学理论体系的形成和发展发挥了巨大的作用。除了波尔，这个研究所还有9名诺贝尔物理学奖获得者。1961年，他的学生兰道问他吸引这么多有才华的年轻人的秘诀是什么。他平静地回答:“这只是因为我不怕在年轻人面前承认自己的愚蠢和无知。”

玻尔老师卢瑟福(网络图)

更可贵的是，玻尔还创造了“哥本哈根精神”——一种平等、自由讨论和密切合作的学术氛围。传记作者摩尔将哥本哈根精神总结如下:“高度的智力活动、大胆的冒险精神、深刻的研究内容和乐观的乐观精神的混合物。”直到今天，“哥本哈根精神”仍然是物理学中最宝贵的精神财富。

在过去的两年里，我国的量子科学研究取得了良好的成果。我国研制的世界上第一颗量子科学实验卫星墨子已经成功发射。中国科技大学的潘剑伟和彭承志领导的团队利用墨子成功实现了1000公里范围内的双向量子纠缠分布。在此基础上，实现了在空间尺度上严格满足“爱因斯坦局域性条件”的量子力学非局域性检验。

此外，我们与奥地利成功实现了世界上第一次洲际量子保密通信，并在1400公里的外层空间实现了第一次远程星地双向量子通信。

在量子计算的舞台上，中国科技大学潘剑伟团队的突破更加引人注目。他们开发了世界上第一个用于多光子玻色采样的单光子量子模拟器，它超越了早期的经典计算机。今年元旦，这一突破性成果成为中国科技大学继去年“墨子”飞上太空后的又一项科技创新成果，再次被列入大的新年贺词。

随着这些科学研究成果在各大媒体上的频繁报道，“量子”这个与我们的日常生活有些距离的概念，已经逐渐成为人们熟悉的“网络红人”，自然也就有了大量的商家和制造商的“热点”。

这并不意味着现在市场上有各种与“量子”相关的“高科技产品”，各种与“量子”相关的新概念层出不穷——从具体的量子能量水、量子鞋垫、量子袜子、量子空气净化器，到抽象的量子医学、量子保健、量子能量植入，听起来都够神秘的了。

那么，这些“量子+”概念产品中哪些是真实的，哪些是大骗局？今天，让我们认真学习如何练习一双“金眼睛”。

“量子+”的概念是奶牛制造的产品吗？

院尔找到了一堆很酷的“量子鞋垫”和“量子+”宣传页，如“量子能量水”，并兴高采烈地让研究量子的物理学家查阅这些产品的原理。没有想到的是，所有的科学家看起来都很困惑，礼貌地微笑着说:“哈哈，这些名词从来没听过。”

尔在院子里，不甘心，拿出广告交给科学家:“看，他在这里有一个解释。量子水处理技术是一种通过量子信息和能量注入来优化和活化水的水处理方法……”科学家微笑着说:“这不仅仅是科学术语的集合，而是一个科学原理。”否则，我说我们的宇宙来自钛合金α中微子能量流攻击，你相信吗？例如，我声称发明了阿姆斯特朗回旋喷射阿姆斯特朗枪。你相信吗？"

“你们所有的科学家都这么淘气吗？”

然而，淘气的科学家耐心地解释了量子原理。

量子无处不在，但不是万能的。

的确，量子是物质最基本的单位，也是我们人类理解世界的一种方式。

1900年以前，人们认为物质和能量是不断变化的。然而，随着新的实验现象的出现，人们开始重新审视过去固有的概念，物理学基础理论的革命风暴开始了。1900年，为了解决黑体辐射问题，物理学家普朗克提出了“最小能量单位”的假设，并将其命名为“量子”，这一假设一直沿用至今。在微观世界中，物质和能量的基本单位叫做量子，比如光子，光的基本能量单位。

随着量子物理学的发展和实验能力的提高，物理学家现在可以在实验室里独立操纵微观世界中的基本粒子。有趣的是，一个量子可以同时处于多种状态，这在学术界被称为“相干叠加”。例如，光子可以出现在北京和纽约。更令人困惑的是，多个量子仍然可以纠缠在一起，而且它们可以保持某种超时间相关性。爱因斯坦称这种现象为“遥远地方之间奇怪的相互作用”

正是由于量子世界的这些神奇特性，量子物理学像一个神秘的吉普赛女人一样，吸引了大量科学家和普通人的注意。虽然她给人们带来了无尽的困惑，但她也让无数的人接近她，了解她一生。

科学家每天都在处理“量子”。通过他们的努力，量子原理带来的新技术可以突破过去技术的瓶颈，给我们带来新的惊喜。它已经成为信息、材料、能源、生活等领域技术创新的源泉。

干货:量子应用在哪里

那么，量子被应用于什么？

首先，大家都熟悉的是量子通信。

我们的“墨子”量子通信卫星是这方面最杰出的成就。我们利用单光子的不可分割性和量子态的不可分割性，从原理上保证了信息不被窃听和破解，从而从根本上保证了通信的无条件安全性。

第二个方面是量子计算。

量子计算是利用量子力学的原理，如量子叠加和量子纠缠，计算数据和信息的一种全新方法。在大数据时代，对计算能力的需求日益增长，但目前人类拥有的计算能力仍然十分有限。在量子计算中，量子位可以同时处于0和1的叠加态。因此，随着可操纵粒子数量的增加，量子计算能力与经典计算相比有指数级的加速:在处理具体问题时，最快的天河二号超级计算机在中小规模(约50位)的情况下可以被击败。如果量子计算机操纵100个粒子，对特定问题的处理能力将达到目前世界总计算能力的100万倍。

第三个方面是量子精度测量。

量子精密测量可以突破重力、时间和位置等物理测量的经典限制，大大提高卫星定位、潜艇导航、医学检测和引力波检测的测量精度。例如，在潜艇导航中，使用量子精密测量技术，导航100天后定位误差小于1公里，不需要通过浮动定期进行卫星校正，有利于长期等待。

上述量子信息的研究仍处于基础研究阶段，只是量子通信正缓慢地向国防、金融和其他应用领域发展。

放大:“量子产品”的鉴别方法

说到这里，每个人都必须感到所有这些量子应用都是基于量子力学的基本原理(如叠加和纠缠)。经过科学家团队十多年甚至几十年的努力，光是随便编造一个概念是不够的。

作为比较，我们发现了一些声称在市场上使用量子技术的产品和概念。请找他们的毛病。

量子水-水通过在载体与水接触后释放量子信息和能量而在量子水平上得到优化。

量子能量袜——量子注入后的量子袜可以释放能量波、远红外线、负离子和其他有益物质。能量波可以使人类分子处于更高的振动状态。

量子共振移植技术——基于量子纠缠和晶体共振理论，量子农业灌溉器和土壤调理剂是根据原子和分子共振原理，在母体元素高频能量波三大特性的指导下发展起来的。

量子医学——一门基于电磁辐射与人类、动物和植物世界相互作用的全新学科。通过测量和分析生物体释放的振动频率(即弱磁场波动能量)进行诊断和治疗的药物也称为波动药物。

上面哪个量子产品是真的？

是的，你已经猜到了，

都是假的。

这些产品有什么共同点？

也就是说，这些名词的堆积是不合逻辑的，没有科学文献的支持，也没有任何实验数据可以证明这种效果。各种各样的“科学术语”已经疯狂地堆积起来了。什么共振、能量、普朗克、爱因斯坦，它们是多么神秘和多么聪明，一个接一个，但概念和结果之间没有对应关系。这无非是商人名词嫁接能力的竞争。

例如，所谓的“量子共振信息水”声称“宇宙中有一个量子‘精神力场’。人体的每个器官都有自己的共振频率。在体内“精神力场”紊乱后，共振频率将偏离正常，从而导致疾病。量子共振信息水可以记忆人体在水中的有益信息频率，去除水中的有害信息频率。饮用这种水后，水中记忆的人体有益的正常信息将与人体波共振，正常信息频率将迅速到达人体的每个细胞，从而纠正人体的错误信息频率，使细胞充满活力。”

其中，共振、量子信息和场的确是科学概念，但突然将它们嫁接在一起，真的是一个笑柄。这里有什么数学形式来描述所谓的“灵力场”吗？什么是人体的所谓有益频率？没有任何科学文献给出这些奇怪的概念，它们都是由企业编造的。至于量子共振信息对水处理的影响，就更不得而知了。

事实上，我们科学中的“量子信息技术”指的是一种新的革命性技术，它利用量子力学的原理来处理信息和数据，例如我们之前介绍的量子通信、量子计算和量子精度测量。然而，这些制造商显然在错误的地方使用了这些名词，并编造和混淆了公众。

另一方面，无论是科学背景、资源投入、实验建设、人才培养、量子研究都是一个很高的门槛。因为量子系统非常脆弱，研究量子实验和相关技术的条件非常严格。量子控制是在单个量子的水平上进行的(例如，控制单个原子、离子、电子和光子)。这些物质和能量的基本单位非常小。以单个原子为例，它的大小只有10^-10m.如果要在实验中进行控制，需要非常高的真空环境和昂贵的激光冷却系统来降低原子的热运动，然后才能进行控制。

例如，量子计算机，为了保护量子比特的相干性，经常需要一个封闭的、真空的、极低温度的、与外部电磁干扰系统隔离的、这种世界上许多国家实验室无法达到的苛刻条件，哪家袜子制造商能拥有？

另一个例子是我们都关心的墨子量子卫星，它是在我国日益强大的综合国力的基础上成功发射的。即使是欧洲和美国的大国也羡慕这种在资源、人力和技术方面的巨大投资。一个鲜为人知的私营企业能负担得起吗？对此，中国科技大学教授、墨子量子科学实验卫星科学应用系统总工程师彭承志曾在微博上警告投资机构:“如果你有资本管理计划或金融产品，请投资一家前途光明的量子公司，门槛不高，几百万甚至几十万都可以进来。请小心，你可能会遇到一个骗子而不是量子。”

实验室里的科学家，无论是院士、教授，还是年轻的医生和博士后，都在量子领域接受了多年的专业培训。在量子世界里，他们的旅程是星星的海洋，暂时他们不会在意袜子、鞋垫和矿泉水。

事实上，判断量子产品的真实性有一个特别简单的原则。也就是说，目前对量子技术的研究主要集中在量子通信、量子计算机和量子精密探测上，暂时还没有涉及到日常生活用品。

因此，看到所谓的“量子+生命”产品，都是骗子！这些嫁接和推测的概念没有科学依据。不要期望使用任何产品都能长寿健康。做一名代理人，一夜暴富。不要那么贪婪，更加努力地工作。识别完成！

量子仓的危害，可以对神经细胞进行异常波动，使神经细胞变得敏感、脆弱，容易引起头痛、头晕等症状，甚至激发神经性疾病，而对内分泌系统的危害则是导致内分泌失调、失眠、乏力等症状。量子仓电磁波对于现代人的生活可谓影响到了方方面面，大到冰箱彩电，小到手机，都会发出电磁波辐射，当电磁波超出安全值后，会对人体造成不可修复的影响。

未来量子技术的应用涉及愈来愈广泛，发展空间相当广阔，将量子技术应用解决生态环境、人类健康长寿等重要问题，量子技术健康产品已经慢慢进入非常多的家庭。量子产品采用“不接触、不损坏”物品的工艺，调控构成物品的部分微观粒子排列方式，使物品中的相应粒子融入宇宙中的粒子体系，形成一体，产生共振。

9月29日，世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通。中国科技人员在量子保密通信相关技术上取得了重大进展，中国在高速高效率单光子探测、可信任光子中继站和星地量子密钥分发等技术领域领先世界，并且在未来的10-15年都会领先于世界，这本来是一条可喜的消息。有人却提出了不同的观点，量子通信被炒得太热，反而或阻碍它的发展。

为什么要开发量子保密通信技术？

因为从理论上讲，如果未来量子计算机建成，如果建成的量子计算机有足够的Qbit和足够的稳定性，那么今天密码系统中的公钥密码RSA有可能被破解。开发量子密码通信是为了应对未来的危机，但危机可能发生的确切时间和危害程度至今都是未知数。

由此可知，量子保密技术只可能是前瞻性的科学研究，当然可以有试点工程，但不一定要做成大规模铺开的工程项目。操之过急会导致资源的浪费，媒体的过份渲染和资本市场的炒作还会把问题进一步复杂化，发生“九州量子”这类事件一点也不令人意外。

“京沪干线”项目首席科学家、中科院院士潘建伟最近的谈话中提到：“。..。，但是大家不能把它炒作得太热之后，一个东西反而味道就变掉了。要严谨地去做事情。”从字里行间不难看出，他也担心京沪量子保密通信干线如果在过度炒作的舆论环境下，可能不利于解决实际的科学问题。他又说：“量子通信广泛应用取决于成本和需求两大因素。”这句话说到点子上了，评论工程项目需求和成本始终是两个绕不开的坎。

该篇论文的核心观点是：假设量子计算机已经建成，再假设量子计算机的量子位（Qbit）可以无限扩展，进一步假设该量子计算机的运行成本与现在通用电子计算机的成本可以相比，用这样一台超级想象出来的量子计算机来破解长度为Terabyte（太字节，等于1024GB）的RSA非对称密钥需要量子计算机的Qbit为2^100（2的100次方）。

2^100是一个什么概念？

这个数大于我们星球上所有生物细胞的总数！而今天为了建成两位数Qbit的量子计算机，专家们已经弄得焦头烂额，多年来一筹莫展。当然使用长度为Terabyte的RSA公钥确实也有点离谱，但论文作者在今日的电子计算机上产生了这样的公钥，并用它来加密和解密，费时一共为五天。按目前的技术水平，长度为Terabyte的RSA公钥虽然并不实用，至少还是可以实现的，但是还在纸上的量子计算机即使明天就建成，要破解这样的RSA公钥也无一线希望。

这篇论文并不是要为对抗量子计算机提供确切的方案，而是通过实验和数据分析指出了一个冷酷的事实：即使围绕量子计算机的技术难题和运营成本全都解决，只要现行的RSA公钥增加字长和改善算法，就能迫使量子计算机的恶意攻击因为难以承受的代价而失败告终，在后量子时代作为经典密码系统重要基石的RSA具有足够长的生命力。急于丢弃RSA等公钥密码系统而另辟蹊径可能真的是杞人忧天。

让我们进一步再作些成本分析。经典保密技术与量子保密技术的主要区别是：经典保密系统中通信的内容与密码的配送使用的是同一个通信网络，而量子保密系统必须要求两个通信网络，一个传送通信内容，另一个配送量子密码。因此量子保密技术必定会大幅增加通信的成本。

由电路交换和分组交换技术构建起的经典通信网络从本质上来说与量子保密通信网络是格格不入、难以融合的。很难设想在原有的通信网络线路上实现量子密钥分发。换言之，为了通信未来的安全，我们必须在原有的通信网络之外加建一套传递密钥的专用网络。而且这条网络要求通信双方从端到端全程使用光纤联接，当通信双方超过上百公里，还必须使用可信任中继站或卫星中继。暂不考虑工程的难度，对于普通用户特别是手机用户而言，仅成本一项无疑也是难以承受的负担。

到目前为止，在所有的经典加密技术中，通信的内容与加密的信息都在同一网络上传输，信息传输和保证信息传输的安全措施是一个统一完整的过程，密码系统在整个通信过程中所占的额外成本是有限的。因此从工程角度来看，对付量子计算机未来可能的攻击，采用改进的经典数学方法而不是全新的量子密码技术，已经成为密码界近期的共识。因为这些改进后的新的密码算法完全可以在目前所有的计算机和通信网络上运行，现行一切通信方式釆用这些新算法进行升级换代过程可以变得平稳、经济和切实有效。

再让我们看看密码学界最近的动态，请先看下图：密码学界已经明确把公钥密码系统分成两大类，左列中都是目前常用的公钥密码，它们是“量子可破”的，即理论上在量子计算机攻击下是不安全的。图中右列的几种公钥密码系统被列为“量子不可破”，它们从原理上被证明是不可能被量子计算机破解的，因而它们又被称为后量子时代的密码系统。

在“量子不可破”的公钥密码系统中最受关注的是“latTIce-based crypto ”（基于阻格的加密法），密码学界对该方法的研究已经有二十多年了，但始终没有进入工程应用阶段。其问题的本质是：该算法太复杂，运行效率低得无法使用；算法加以简化后，效率大幅提升，几乎可以与RSA媲美，但是却出现安全隐患。但是近年来对于该密码系统的研究取得了实质性进展，它们很可能就是美国国家安全局不久将要推出的后量子时代的密码系统中的重要组成部分。

把高铁工程与量子保密通信联系在一起，可以印象化地说明这样一个事实：洋人做不来的事，中国人不仅可以做而且可以做得很好。但是必须明白，量子保密通信不是高铁工程，它只是一个不完整的示范性工程，工程的必需性和可行性仍面临严峻的考验。

人们出行可以坐高铁也可以不坐高铁，也可以坐一段高铁再加一段普客。但是通信系统中经典密码系统很难与量子密码系统兼用，如果一定要联在一起用，就会有木桶短板效应产生，量子保密系统不能为用户带来丝毫益处，除非通信双方全程使用量子保密系统，而我们都知道这对大量的普通用户又是多么地不切实际。

那么金融行业，特别是银行系统是否会享受到量子通信干线的优越性呢？很可惜答案是否定的。量子计算机有可能破解RSA这类非对称密钥，而对于基于复杂逻辑运算的对称密钥体制根本就没有威胁。现在所有金融行业（包括银行）采用的都是对称密钥体制，这个标准在由中国人民银行颁布的PBOC里有详细的描述。

银行系统密钥分发要用到RSA这类非对称密钥只有初始化的第一次，之后采用的都是对称密钥。其实初始化都未必会用到RSA，任何能够安全地将初始化密钥分发到密钥分发管理中心的手段都可以采用，毕竟只需要做一次的事情，麻烦一些也无所谓。我估计，银行与其它金融系统对量子保密通信是没有多少兴趣的，哪怕你有天大本事明天就变出一台几万Qbit的量子计算机，他们仍旧会是“量子围困万千重，我自岿然不动。”

军队会使用量子通信吗？

从目前的技术状态来看，这更不可能。除了固定的机关之间，军队通信对网络的移动性、可变性和抗干涉性有更高的要求，量子保密通信从本质上很难适应这样的网络通信环境，至少近期难有什么作为。

那么究竟谁是京沪量子干线上的主要用户呢？有报道说某某市政务系统开始采用量子保密通信技术，他们究竟在做些什么呢？使用量子密钥对视频通话加密解密，我估计这也只是借此试验。其实只要是了解政务系统的人都知道，跑在政务系统上面的信息，其实从来就没有多少需要保密传送的内容，真正机密的信息恐怕连一个字都不会放在政务网上的，所谓政务网采用量子密钥多少带有对大众宣传的成分。

对量子密码技术作前瞻性的科学研究我们应该支持，毕竟在后量子时代如何确保信息安全谁也不敢打保票，量子密钥协商技术有可能提供一种对抗量子计算机攻击的工具，多一种选择总是好的。虽然危机仍在未定之天，但未雨绸缪作超前的研究也是应该的，因为新技术从概念提出、实验证明、技术和标准的建立都需要时间，千万不能等危机出现后再临阵磨枪。而且科学研究的过程中会提升相关技术的水平，也很可能会收获意想不到的副产品。对量子保密通信技术作前瞻性科学研究应该大力支持，我的这个态度始终也不会改变。

但是铺开建设量子保密通信干线的工程项目必须谨慎再谨慎。从近期看，经典密码系统是安全的，到目前为止，量子保密技术不仅成本昂贵，而且功能上也无法替代经典密码系统。开发量子保密技术为的是应对未来可能发生的危机，但这种危机离我们仍十分地遥远，即使危机真的降临，改进升级后的经典密码系统应该足以应付危局。量子密码技术并非是对抗危机的唯一选择，它很有可能仅是一枚永远也使用不上的备胎。

中国银行业信息交换安全管理的规范叫PBOC，这其实基本沿袭美国的银行标准制定出来的，全世界其它地区也基本遵照办理。我很希望量子通讯专家们在策划他们的大工程之前，认真坐下来消化一下这个只有几十页的行业标准，然后再来看看量子对称秘钥是否能够在其中起到什么有价值的作用。

完全不像他们想象中的那样，银行间还需要不断发送对称密钥，并用RSA进行加密，其实银行间的密钥更新根本不分发密钥，分发的是完全不需要保密的随机数而已，这些随机数任何人拿去都无所谓，因为其中不包含任何密钥信息，密钥安全管理就是这么神奇。

密钥分发管理采用分级的形式，从总行到各大区的支行，大概不超过3级，每个密钥分发管理中心叫做KDC，每个层级管理的对称密钥就叫该级别主密钥，比如第三级就叫3级主密钥。全国的KDC其实是不多的，这可不是银行的门点。总行的KDC为顶级密钥，用来生成顶级密钥，这个顶级密钥一般有多组，每次拿出一组顶级密钥使用，其它组密钥处于备份状态。主密钥可不是用来分发的，而是用来生成分发密钥。生成分发密钥首先需要系统先生成一系列随机数，并用主密钥对其进行加密操作，生成的密文就作为分发密钥，用于分发到下一级KDC。下一级接收到上一级的分发密钥，将其作为本KDC的主密钥，如此继续使用该主密钥给下一级生成分发密钥。

这个叙述好像确实在说KDC需要不断将分发密钥发送给下一级KDC，那么总得需要将密钥进行加密后才能在公网上传递吧？这个环节难道不就是需要RSA这类对称密钥上场了？难道这不就是量子通讯在解决的问题吗？这不正是4万字一文所描述的过程吗？事实的真相是，这样的过程只需要做一次，就是当两个KDC之间完全没有任何可供通讯加密的密钥时候才会使用。当两个KDC之间已经有了彼此都掌握的对称密钥，密钥更新的过程就变得完全不同。

假如一个KDC要将一个新的分发密钥传送给下一级KDC，我们把这个分发密钥叫做明文K，那么首先，上级KDC从一组对称密钥中选择一个出来，不妨称作密钥A，记下这个对称密钥的序号，同时在系统中生成一个随机数，用密钥A对其进行加密，生成一个密文，这个密文作为过程密钥，不妨称作P，用P对分发密钥K进行加密，然后将密文、生成过程密钥的随机数和对称密钥的序列号发送给下一级KDC。注意的是，这个时候，在公网上发送的K是经过P加密的密文，这个是安全的，P并没有发布到公网上，发布出去的只有随机数和加密密钥序列号，这些信息是不能利用来对密文进行破解的。接收端的KDC有了加密密钥序列号，就能够从自己的主密钥库中提取出来对应的密钥，并将收到的随机数进行加密，这样就能还原过程秘钥P，然后就可以直接用P将收到的K密文解码成明文K，从而完成主密钥的更新。所以我们能够知道的有三点：

第一点， 密钥分发能够用到RSA作为加密手段的只有最开始初始化的第一次，之后采用的都是对称密钥加密。其实RSA未必都会用到，任何能够安全地将初始化密钥设置到KDC的手段都可以采用，毕竟只需要做一次的事情，麻烦一些并不要紧；

第二点， 网上发送的信息不包含任何加密密钥的信息，无论经过多少个路由或者中继，所以根本不可能在网络环节泄密；

第三点， 更新的密钥在KDC进行还原，只有在这个环节会产生泄密的危险，因此保护KDC的安全才是整个环节中至关重要的问题。

量子保密通信至今不是一套完整的密码安全系统。到目前为止，它不能对通信安全提供诸如密钥的分级发送管理、身份认真和电子签名这样一整套严格完整的全方位的服务。

国际知名学术期刊《自然》今天早上公布了2017年十大科学数据。中国物理学家、中国科学院院士、中国科技大学常务副校长潘剑伟也榜上有名。

这些图片来自互联网。

值得一提的是，《自然》杂志为每位候选人写了一篇专题报道，报道的标题是“量子之父”。开头写道:“在中国，有人称他为“量子之父”。潘剑伟配得上这个称号。在他的领导下，中国已经成为远程量子通信技术的领导者。”

今年6月，潘剑伟领导的世界第一颗量子科学实验卫星——墨子团队实现了恒星与地球之间的“千公里级”双向量子纠缠分布，打破了此前多年“百公里级”的国际纪录。相关结果发表在《科学》杂志上。一个多月后，这个团队在世界上首次成功实现了恒星和地球之间的“千米”双向量子通信。相关结果发表在《自然》杂志的网络版上。

& darr以下是新华社今年6月对潘剑伟的读者报道。

潘剑伟:与量子纠缠的生命

“上帝掷骰子吗？”困扰爱因斯坦的量子物理学的核心奥秘也让潘剑伟经常集中精力思考，在他的额头上刻下两道深深的皱纹。

自从潘剑伟第一次意识到量子世界的神秘本质并沉迷其中以来，已经过去了20多年。对于为什么会有像量子叠加和量子纠缠这样奇怪的现象，没有答案。然而，他一直致力于利用奇怪的量子特性创造一个不可破译的密码，发展安全通信，并开发一个强大的量子计算机-&hellip。& hellip

世界上第一颗量子卫星墨子已经建立了距离太空最远的量子纠缠，证明爱因斯坦认为奇怪的“遥远地方之间奇怪的相互作用”仍然存在于1200多公里的范围内。作为量子卫星的首席科学家，潘剑伟有一个更大的目标——在地球和月球之间建立30万公里的量子纠缠，检验量子物理的理论基础，探索引力和时空结构。

在很多人的眼里，潘剑伟是一个传奇:29岁时，他在量子隐形传态方面的研究成果，加上伦琴对X射线的发现、爱因斯坦建立相对论以及其他影响世界的重大研究成果，被《自然》评为“一个世纪21篇物理学经典论文”。31岁，中国科技大学教授；41岁时，他成为当时中国最年轻的院士。45岁，获得国家自然科学一等奖& hellip& hellip

何曾多次获奖，他说获奖很麻烦，容易被批评。他是中国科学家中的明星，也是媒体追逐的目标，但他不想成为明星，只想让科学受到中国人民的关注。

▲2016年5月28日，量子科学实验卫星首席科学家潘建伟院士在上海量子保密通信综合控制中心演示了用于远程保密通信的实用量子通信产品。只有这样，我们才能促进这一倡议

起源困扰

潘剑伟1970年3月出生于浙江东阳，从小成绩优异。父母从不限制他，让他做他感兴趣的事情。1987年，他被中国科技大学现代物理系录取。他对大学生活最深刻的印象是，他的同学睡觉和学习都比早起、喝茶和熬夜学习晚。

他的大学同学、现任暗物质卫星科学应用系统总工程师吴健回忆说，潘剑伟是一个非常有趣的人。他剃了潘剑伟的头发，有点像马桶盖，但潘并不生气。除了学习，潘剑伟也很享受生活。有一次，他和他的同学去水库摸一盆蜗牛，回来在宿舍做饭。

1990年，潘剑伟第一次接触到量子力学。当时，他很好地学习了经典力学、电动力学和统计力学，但他根本不懂量子力学。他在量子力学期中考试中差点不及格。

“在双缝实验中，当一个人没有‘看见’电子时，他不能说出它是从哪个缝穿过的。这真的很奇怪。这是错误的。一个人不是在上海就是在北京，他怎么能同时在上海和北京呢？”量子世界的陌生和陌生让潘剑伟陷入了这样一场斗争。

现在回想起来，潘剑伟认为这是最好的现象。“量子力学的创始人之一玻尔说，如果你在学习量子力学后没有感到奇怪、不可思议和困惑，那你就根本不明白。”

量子世界越古怪，潘剑伟就越想了解它。因此，他选择了与量子“纠缠”。

他意识到物理学毕竟是一门实验科学，如果没有更好的理论可以通过实验来检验，那将只是一句空话。然而，中国在20世纪90年代缺乏进行量子实验的条件。1996年硕士毕业后，潘建伟去奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位，师从世界级量子实验研究大师塞林格。

一个理论物理学的硕士学位想要很快进入实验量子物理学的前沿，困难是可以想象的。为了尽快掌握要领，潘剑伟几乎在实验室里呆了一整天。

塞林格在接受新华社记者采访时表示，潘剑伟第一次来攻读博士学位时从未做过任何实验，但他在实验方面很有天赋。“我派他和一个团队去做量子隐形传态的实验。这是一个非常复杂的实验。他立即接受并投入其中，对实验充满热情。过了一会儿，他成了实验的领导者。”

在老师的眼里，当实验有问题时，潘剑伟从不退缩，把困难看作是上楼的动力。每个人总是听他说“情况很好”。这个非常乐观的人总能找到解决问题的办法，每个人都喜欢他。

“毫无疑问，他现在是世界上这个领域最好的科学家，我为他感到骄傲。”塞林格说，“我也鼓励他回到中国发展。这里有很好的机会。中国在量子通信领域已经进入世界先进行列，这在很大程度上是潘剑伟努力的结果。”

做一盘“量子美食”

在掌握了先进的量子技术之后，潘剑伟迫切希望中国能够抓住这个机遇，在信息技术领域迎头赶上，抢占先机。

自1997年以来，他每年都回HKUST度假讲学，为中国在量子信息领域的发展提出建议，并推动研究人员进入该领域。2001年，他获得了中国科学院和中国国家自然科学基金的资助，并在HKUST建立了量子物理和量子信息实验室。

量子信息研究整合了多个学科。要想取得突破，需要不同学科背景的人才。擅长烹饪的潘剑伟知道一道好菜需要各种各样的好原料。

潘剑伟将来自不同学术背景的年轻人送到国外，在德国、英国、美国、瑞士、奥地利等国家学习和锻炼。这样，他的团队掌握了最好的冷原子技术、最好的精密测量技术和最好的多光子纠缠操纵技术& hellip& hellip

近年来，潘剑伟团队在《自然》、《科学》、《物理评论快报》等国际主要学术期刊上发表了约200篇论文，被广泛引用。

▲潘建伟，量子卫星首席科学家(2016年8月15日，双曝光)金

科学带来内心的平静

实验中不可避免地会有令人沮丧的时候。但潘剑伟表示，做自己喜欢的事需要耐心，欲速则不达。“我愿意一步一步地学习和工作。当然，我很高兴成功了。如果你没有成功或感到失落，再试一次。关键是享受这个过程的乐趣。”

追求量子物理的秘密可以让人感到平静和安宁，就像在阳光明媚的春天走在绿草上一样他说。

潘剑伟是爱因斯坦的崇拜者。他在大学时喜欢读爱因斯坦的文集。“爱因斯坦的散文是最深刻、最美丽的。对我来说，这是大自然的声音。”

“研究量子物理影响了我的性格和思想。在牛顿力学中，0和1，黑色或白色，要么绝对正确，要么绝对错误。但是量子力学告诉我们，对与错、好与坏很难定义，然后人们变得宽容了。”

在繁忙的工作中，潘剑伟参加了许多科普活动，创办了以科普为目标的墨子沙龙。他说:“建设创新型国家，必须培养公众的科学兴趣，提高公众的科学素养。否则，我们无法建设一个真正创新的国家。”

物理学的“皇冠上的珍珠”

时光飞逝。量子世界一如既往的奇怪和难以捉摸。神奇的量子纠缠能在时间和空间中无限延续吗？

“至少现在理论是这样的，但是量子纠缠可能会受到重力的影响，质量会下降。然而，通过不断扩大量子纠缠分布的距离，并在实验中探索量子物理和相对论之间的边界，我们可以对时空结构和引力进行前瞻性的研究。”潘剑伟说道。

接下来，潘剑伟希望在地球和月球的拉格朗日点放置一个纠缠光源，将量子纠缠分布到地球和月球上。通过30万公里以上的纠缠分布，我们可以观察到其性质的变化，并在实验上验证相关理论。

"我今年47岁，希望在60岁左右退休前完成这项实验。"他说。

如果这个梦想能够实现，潘剑伟将赢得这个领域的“皇冠上的明珠”。

潘剑伟认为，发展量子通信和量子计算技术是国家的主要需求，理解量子世界中最奇怪的问题是他义不容辞的责任，这是他内心的驱动力。

“为什么量子力学如此奇怪？这个基本问题根本没有解决。我们可能还在起点上。对我来说，为什么会有量子纠缠是我从未忘记的最深刻的事情。我会继续实验，将来可能会发现。”潘剑伟说道。

他还认为科学理论和实用技术不应该分开。他愿意尽一切努力促进量子技术的发展。

“量子手段可以用来做很多事情，比如原子钟、精确测量，甚至癌症的早期诊断。操纵量子阱将给人类带来巨大的利益。”潘剑伟说道。

中国科学家15日(当地时间)在美国《科学》杂志上报道称，中国的“墨子”量子卫星在世界上首次实现了1000公里量级的量子纠缠，这意味着量子通信朝着实用化迈出了一大步。

这条新闻现在已经成为“自然科学”网站(www.nature.com)的头条，震惊了外国专家。先前的量子传输距离记录是144公里。

自然科学网首页截图(6月16日上午)

报道称，中国的量子卫星已经克服了超安全通信的主要障碍。量子卫星探测器实现了记录长距离量子纠缠，可以实现基于量子技术的加密数据传输。发射仅仅几个月后，世界上第一颗量子通信卫星就已经达到了它最雄心勃勃的目标之一。

中国研究人员《科学》杂志发表的一份报告称，通过在两个地面站和卫星之间发射量子，他们实现了1000公里外的量子纠缠。这项技术是未来绝对安全的量子通信技术的基础技术。参加实验的两个地面站是青海的德令哈站和云南丽江的高美古站，距离为1203公里。

这个重要的实验是在去年年底完成的，而之前的传输距离是144公里。墨子卫星于2016年8月发射。

当卫星轨道大约500公里高，并且它的信号可以被两个地面站同时接收时，研究小组每天晚上只有5分钟的时间。在卫星发射之初，他们能够每秒钟进行一次量子纠缠，这比他们预期的要快10倍。

中国“墨子”团队的负责人潘剑伟表示，他们已经开始实验，利用量子纠缠技术来创造密钥，以实现天地之间的即时信息传输。然而，潘建伟表示，他暂时不准备公布实验结果。

外国专家感到震惊

加拿大卡尔加里大学的物理学家沃尔夫冈·杜尔塔尔领导了另一个量子研究小组，他说:“我对中国小组的结果感到震惊。就我个人而言，我不确定在我之前看过量子卫星的发射之后能获得什么样的结果，”我也不确定他们是否能用它实现技术突破。

与潘建伟团队相比，加拿大量子加密和科学卫星团队采用了更简单的实验方法。他们在地面上制造了量子纠缠，并将其发射到卫星上。他们上周发表了一篇文章，称他们成功地将量子发射到10千米高空的一架飞机上。

加拿大滑铁卢大学量子项目的成员托马斯·詹尼温(Thomas Jennewein)说，他们的团队和世界上的其他团队现在正赶上中国团队，“显然，他们是量子卫星的世界领导者。”

潘建伟说，目前的主要挑战是如何在白天有大量光量子的时候，分辨和接收来自量子卫星的信号，从而实现量子通信。

潘剑伟说，除了量子密钥和通信实验，他们还将使用墨子来测试重力对量子纠缠的影响。他们还将在两年内发射另一颗量子卫星。其他同事认为这个想法过于雄心勃勃，因为这意味着太空中的两套量子发射系统可能在宇宙中实现量子纠缠。

在3分 20 秒通过量子计算机完成了在超级计算机上需要一万年的计算，如此恐怖的计算能力，谷歌宣布自己做到了。谷歌宣布建立量子计算机引发热议，人们在想数据会在计算过程中被挖走吗。更普遍的一种说法就是量子或许会多花费你的钱。许多的问题被提了出来，量子计算机带来的恐慌开始在加密货币圈子里面弥漫，在圈子里还出现了量子霸权的说法。

有一部分人会担心量子计算机会不会夺走自己手中的比特币，其实这种说法没有根据，大多数币圈的人也不必害怕。如果按照现在比特币网络的状况，在五到十年之内确实有这种可能性，不过随着比特币网络的不断优化，这种可能性会减少。不过也不是完全不用担心，比特币技术的稳定性取决于网络的发展和量子计算机的发展速度。如果技术人员还没有注意到网络存在的风险，而量子计算机飞速发展的话，很可能在十年之后量子计算机会对比特币网络造成冲击，至少当前的加密方案会受到量子计算机的强大冲击。

人们会担心量子计算机会把剩余的比特币挖走，这在一定程度上实现的可能性很低。首先是由于量子计算机对于对称密码计算效率相对较低，第二，在2016年区块挖出之后已经把难度提高到“量子级”，如果不是量子计算机就不能开采这些比特币。

对于矿工而言，达到量子级的难度水平，只能说需要很长一段时间能够调整。即使是拥有量子计算机，也需要时间来挖取比特币，时间的限制有时候超过计算及性能对于比特币开采的影响。纵使在主流计算机需要2 ^ 128次操作，在量子计算机上只需要128 ^ 3次操作。

总结到一点，比特币的持有者不需要担心量子计算机，但是加密货币网络运营者必须密切关注。还有一点就是量子计算机强大是不可能避免的，只是时间问题，就看加密货币系统如何应对。

按量子真空相互作用方案内容，量子态的粒子选择并不是随机的：它受到粒子与真空相互作用的微妙的但很明显的影响。根据这一概念，量子世界的某些现象，尤其是非局域性和相干性，并非反常现象。

我们把量子和量子真空之间的相互作用表征为双向傅里叶变换过程。真空中的每一个干涉图样反馈到相应的时空态或位形空间，并遵循这样的可逆性原则：从时空向光谱领域转换的反过程是从光谱向时空领域转换。结果在时空的致密物质范围内，每一个光子，每一个电子，每一个原子和每一个原子中的每一个原子核都与整个范围内的波函数 （或者与同它们自身的状态或构型空间相对应的波函数）一起连续地内构成。

只要量子处在非相互作用状态，以上所说的内构成就不是有效的。然而，那种条件是一种抽象概念，根据这种抽象概念，可以同意量子力学所说的，波函数是对可供选择的可能状态的叠加的一种适当描述。但当量子面临决策事件时（在真实世界中这种遭遇是经常性的），它的几率矢量状态就分解为决定论状态。对这种状态的选择并不是量子力学所规定的，后者只能给出可供选择的可能性的权重。在连续光谱的彭加勒系统中恒定的量子真空相互作用要求这种选择与系统在其内的状态空间或构型空间相一致。

我们能够探索关于相干性和非局域性现象这一概念，经典的例子是扬氏双缝实验。在这里光从某一光源发射出来并让它通过屏上的一个狭缝，另一个光屏放在第一个屏的后面来记录穿过狭缝的光线。于是就好像让水通过小洞那样，光束呈扇形散开，并形成了一种衍射图样。该图样表明光具有波动性的一面，并不是自身的反常。但是如果屏上再开第二个狭缝，那么就会出现两个衍射图样的叠加，即使每次只发射一个光子也是如此。在狭缝后传播的波形成特征干涉图样，当它们的相位差是 180 度时，其波前相互抵消；当它们是同相位时，则相互加强。看上去就好像每个光子同时穿越了两条狭缝一样。

时间和空间对这种效应似乎没有什么影响。对该实验的“宇宙学”描述中，干涉的光子起源于遥远的星系，它们发射的时间相隔数千年。在一个实验中，光子是由称之为 O957 516A，B 的双类星体发射的，人们认为这一遥远的类星体是一个而不是两个星体，它的双重图像是由于其光线受到一个中途星系的偏折所引起的。正如在第 2 章中指出的，尽管这些光子起源于几十亿年前且有 5 万年的间隔，但它们到达实验室仍能相互干涉，就好像它们的发射仅仅相隔几秒钟似的。

为了避免得出每个光子被告知其他光子的状态并据此选择自己的路径这样的结论，量子物理学家通常都假定，每个具有波粒二象性的光子都分裂并取两条路径，即通过两个狭缝，所以它然后又重新结合起来从而在屏上产生干涉图样。这一观点与量子理论的数学是一致的，而且在过去 50 多年中几乎没有出现例外。

然而这种标准观点也许需要修正，D·查尔蒙 （David Chalmers）的实验证明，光子只穿过一条狭缝，然后同穿过另一条狭缝的其他光子结合而产生干涉图像。在这一实验中，一个激光源被分裂成两束，然后在到达屏上的双缝之前通过半镀银平面镜重新结合，像通常一样，人们就会观察到明暗交替的干涉条纹。然后，把一块偏振片放在上狭缝前面，把方向调整到保证只有垂直偏振光子才能通过狭缝，第二个偏振片放在下狭缝的前面，把方向调整为只允许水平偏振的光子通过狭缝。

我们知道，方向相反的偏振光不能相互干涉。如果每个光子，不管其偏振方向如何，都能通过两个狭缝，那么方向相反的偏振就不会阻碍产生干涉图样，但是在方向相反的偏振的情况下干涉没有出现。当第三个偏振片放置到来自于两个狭缝的光子的光路，并使其与两个狭缝之间的角度都成 45 度角从而使它们偏振角度的差异抵消时，干涉图样又产生了。由于偏振角一致了，光子又相互干涉了。

这里，费曼（Feynman）详细说明的条件已满足对量子力学定律的重新解释。按照费曼的观点，如果双缝实验是按这样的方式完成的：干涉图样是在对光子通过的狭缝的选择被限定的情况下获得的，那么重新解释就变得必要。通过在到达指定的狭缝前把某种特定的偏振引入光束，单路偏振实验能够确定某一给定的光子能通过那个狭缝。当人们在光子到达记录屏之前去掉不相容的偏振角时，他们又可得到通常的干涉图样。

这样看上去由给定光源连续发射的光子只通过一个狭缝，然后才相互干涉。这清楚说明光子并不是自我干涉，而是记忆在起作用。先前发射的光子从物理学上讲不在那儿，但它们的踪迹仍在，因此最合理的解释是，连续发射的光子与先前发射的光子的踪迹相互干涉。但是这些踪迹是如何记录和传输的呢？对于实在论的解释而言，携带踪迹的物理媒介是必需的：一种超越相对论时空界限的媒介。我们在第 5 章所描述的方案提出了这个媒介——量子真空的标量介质波谱。

现在我们能转向 A·爱因斯坦、B·波多尔斯基和 N·罗森在 1953 年提出的思想实验了。在该实验中一个粒子分裂为量子态完全一样的两半块，每一半都允许分离。现在对其中的一半进行测量（例如测量动量），并对另一半进行互补性测量 （例如测量位置），这样就可证明海森堡测不准原理能被克服。然而，当 1982 年 A·阿斯贝克特 （Alain Aspect）成功地对该理想实验进行了物理检验时，人们发现一旦对一个粒子进行测量，其叠加的几率态就消失 （波函数崩坍），对第二个粒子测量也一样。①无论如何，这不是爱因斯坦所预言的结果，相反，它对相对论中的信号的最大速度传输规律提出了疑问。

这些结果又激励了其他思想实验，其中包括著名的“薛定谔猫”实验。E·薛定谔提出，我们可以把一只猫放在一个封闭的容器里，然后把一个装置放在容器中，该装置完全随机地释放或不释放毒气。这样，当打开容器时，猫或者是死的，或者是活的。常识告诉我们，若装置释放了毒气，那么猫就已经死了；如果没有释放毒气，那么猫仍活着，所以在打开容器前猫不是死的就是活的。但是事件的这种状态是被量子理论禁止的，只要容器封闭着，就存在状态的几率叠加——猫必定是既死又活的状态，只有当容器打开后，两种几率才崩坍为一种。

德布罗意提出了一个类似的思想实验，这次不是把一只猫，而是把一个电子放进封闭的容器。我们把在巴黎的这个容器一分为二，一半用船装到东京，另一半装到纽约。常识告诉我们，如果打开纽约的这一半容器并发现了电子，那么电子在容器从巴黎出发的时候就必定在里面了。但是事件的这种状态，就好象薛定谔的猫难以判定其是死是活一样，也是被量子理论所禁止的，每一半容器都必定有电子隐藏的非零几率。因此，当在纽约的那一半容器一打开的时候（无论该容器里是否有电子存在），在东京限定电子存在几率的波包也就被约化了。

在空间上相互分离的粒子能够相互告知其各自状态这一点构成了量子非局域现象，物理学家们对之提出了不同的解释。很明显，它们之间的相互关联或者是由于同处于一个包含两个粒子的共同坐标系中，或者是由于其他的效应，如时间的可逆（因此被观察的粒子能够把它正在被测量的信息通知它似乎不分离的孪生粒子）。后一种选择被 H·普朗士 （Huw Price）曲解了，他声称，影响粒子先前状态的是实验者对粒子状态的干预。这提供了对该现象的实在论解释，但代价是假设在物理世界中存在倒因果关系。另一种假设 （即同一坐标系中包含两个粒子）要求在物理学宇宙中对共同粒子系统进行详细说明和证明，量子真空相互作用方案的意图正在于此。它的粒子共同系统是由包含粒子和量子真空之间的双向转换的相互作用过程构成的，在这里对量子状态的选择不是随机的 （象在标准的量子理论解释中那样），但是它通过以真空为基础的具有同时干涉能力的波转换与宇宙其余部分相联系。

该方案也能阐明原子壳层中电子之间的非动力学相互关系。在解释基于泡利不相容原理 （它说明了绕核旋转的电子不可能有两个同处于四个量子数都相同的状态）的物理事件时，我们可以越过经常听到的老生常谈——在这里每个电子似乎在某种程度上“知道”其他电子的量子态。相反

①    A·阿斯贝克特等，《物理评论》，第 49 卷，第 9 期，1982 年。

①    H·普朗士《通向量子力学实在论的一条被忽视了的路》，载《心灵》103 卷，1994 年 7 月。我们可以主张，在原子壳层中电子由信号传输场相互联系，在原子组态空间内单个量子的波函数与总体的波函数之间有准瞬时信息传递——这一信息使在其他情况下非决定论的量子态的几率偏向于同总体中每个电子的位置相对应的那一组量子数。

类似的解释也能说明出现在高度受激的电子壳层 （即所谓的里德伯原子）中的令人惊奇的有序现象，这种现象在氢原子中看得最明显。在正常情况下，氢原子中的唯一的电子与原子核中的质子紧紧地束缚在一起，整个系统的行为遵循量子力学规律：原子不能进入任何任意能态，它只能处在离散的，即量子化的能级。在低能量时，允许的能级分布得相当宽。但随着原子能量的提高，电子运动就越来越远离质子，其允许的能级也就越靠近。当能量恰好处于电子能逃离原子的临界阈限值时，允许的能带就会靠得足够近，从而形成了可以用经典力学规律描述的连续态。

然而，里德伯原子显示出了一种奇妙的混沌行为，描述它需要把正常情况下由 6 维 （3 维描述位置，3 维描述动量）来描述电子的相空间进行缩减。因为原子中的磁场限定了对称轴：电子只相当于在与沿轴方向的距离相关的二维平面内运动，没有绕轴的运动，所以很容易减去二维。在这剩下的四维相空间中，可以取称之为能量壳层的 3 维薄层，这就允许建立一个电子运动的 3 维模型。复杂的 3 维相空间模型还可以通过取穿过能量壳层的所谓彭加勒截面 （固定的二维平面）作进一步简化，这样就得到了二维表象，它由电子的轨道与该平面表面相交的点构成。

正是在这一表象中里德伯原子行为的奇异特征变得很明显。现在我们搞清楚了，与其他混沌系统一样，里德伯原子不能分解为单个组分的运动——沿一坐标轴的运动与沿其他所有方向的运动紧密相联。而且，能级的分布也在经历变化。与在原子基本状态中能级随机分布互不相关不同，里德伯原子的能级是非随机分布的，而且紧密相关。持续的激励推动原子所达到的连续能级突然分裂：能带变得既高度分离又相互联结，尽管在原子中并不存在能解释通过能带显示出的新发现的有序或它们与之紧密联系的

①

动力学意义上的力。有意义的解释必须首先要涉及大尺度彭加勒系统中的以真空为基础的恒定相互作用。在磁感应而导致的混沌态下相互作用效应变得很明显，因为原子比在基态时更敏感。结果，其态函数就显示出同调性，这种同调性我们可以期望在标量介质真空零点场中的相邻的孤立子上显示出来。

对于超导性和超流动性中的同调现象也可作与此相关的解释。超导体中电阻的消失被认为是由于其运动产生电流的电子 （对所有电子薛定谔波函数具有相同的形式）具有高度的同调性。在超低温时，常温下的那种由于晶格中原子的振动所产生的扰动被消除，因而恢复了同调性，所以电

①    D·克莱普勒和 M·赖特曼《高度受激的原子》，载《科学美国人》，1981 年 5 月。流就可以无阻碍地通过导体。这一现象同样可以看作是充满信息的真空谱中电子嵌入的一种效应，在那种场中磁导率/电容率如达到某种程度 （这由量子传播的有限速度独立地给出），那么互相接近的带电粒子就会互相吸附，在不存在热干扰的情况下，它们就象连续基本介质中的类孤立子波那样同调运动。

约瑟夫森效应 （相互间保持有限距离的超导体相互关联）也关系到连续基本场。按照 D·杰迪斯 （Del Giu-dice）等人的观点，关联效应不仅仅在超导性这种特殊情况下可以得到，在存在物质实体的相邻系统的任何地方，无论它们是原子、分子还是其他粒子，在它们中都会出现瞬时关联。一对紧挨着的细胞能象约瑟夫森结那样进行相互作用，一组全同细胞能产生这种结的整体排列而把细胞都闭锁在这一状态上。因为细胞的同调性又在细胞集中产生同调作用，所以我们就获得了一种保证生命系统进

①

行整体整合的主要因素。在这一点上，具有真空谱全息子结构的微观和客观尺度系统的相互作用是既作为物理学又作为生物学世界中的最重要的过程出现的。

持久的研究也许可以显示出把普朗克领域内可观察到的现象归于量子与量子真空波谱场相互作用而取得的丰硕成果。在这种相互作用方面，量子态的同调性并不是特设的，而且导致波函数崩坍的状态在自然界中也不是任意的。

这里描述的量子真空相互作用非常具体而有新意，而它的哲学基础与物理学前沿研究中的广泛意见是一致的。我们尤其同意玻姆的观点——通过考虑起源于量子真空的微妙效应来完善量子理论，在计算物理效应时我们同意用随机电动力学来消除真空涨落。这一概念的基本哲学与惠勒的格言一致：“真空物理学处于每一件事的核心。”

①    D·杰迪斯等《磁通量量子化和生命系统中的约瑟夫森行为》，载《物理年鉴》40 卷，1989 年，P786—P791。

①    惠勒《量子宇宙学》，载《世界科学》，LZ·方和 R·洛费因主编，新加坡，1989 年。

在经典通信中，窃听者如果要窃听密码，他首先是将密码抄写下来，再进行解码。但在量子通道中，抄写量子态是不可能的，因为对量子态的任何测量都会产生影响，从而导致量子态的塌缩。也就是说，测量将会留下痕迹，通信的双方能立即觉察到窃听者的存在而终止通信。

每个国家、公司等组织都有大量的机密，特别在战争时期，情报的泄漏会影响战争的胜负，有关千万人的性命，所以通信技术中的密码学占有重要地位。在当今网络通信突飞猛进的时代，信息安全问题成了连广大普通民众都非常关注的焦点。一部密码学的发展历史，充满了加密者和窃密者之间永无休止的斗争。

尽管在几千年之前就有了密码的雏形，但密码学作为一门真正意义上的科学，是从1948年香农发表《通信的数学原理》开始的，并影响了整个数字时代的通信技术。

在通信保密和窃听的斗争中，量子力学能扮演哪些角色呢？这可以从保密者和窃听者两个角度来分析。从窃听者一方来看，量子现象中由于叠加态和纠缠态的存在，为计算提供了经典计算机无法比拟的量子平行处理的超强能力。因而便有可能在短时间内进行大素数分解的运算，从而破解目前经典计算技术无法破解的加密算法。

从保密者的角度来看，量子力学将彻底地改变密码学，改变甚至终止保密和窃听之间原来看起来永无休止的游戏。因为根据量子力学的规则，量子密码是不可窃听、不可破解的！量子理论似乎是提供了一种绝对安全的密码通信系统。具体地说，在经典通信中，窃听者如果要窃听密码，他首先是将密码抄写下来，再想办法进行解码。然而，在量子通道中，抄写量子态是不可能的，因为对量子态的任何测量都会产生影响，从而导致量子态的塌缩，原来的量子态就不复存在了。也就是说，测量将会留下痕迹，通信的双方能立即觉察到窃听者的存在而终止通信。所以量子力学原理完全保证了量子通信的安全性。

比如，发送方向接收方发送一系列随机的、准备作为密钥的量子态，接收方随机地对这些量子态进行测量。然后，双方由经典通道交换信息，检测接收方测量的误码率，从而认可最终的密钥。如果有一个窃听者进行了窃听操作的话，便会破坏发送方原来的量子态，使接收方接受的误码率大大增加，双方就能够发现窃听者的存在，立即采取必要的措施。比如，换另一条量子通道，重新传送另一套新密钥。因此，对量子通信的窃听几乎不可能成功。

最开始，人类结绳记事；然后，我们用语言和文字沟通；再后来，手机、网络成为必需品。信息传输，早已从如何传输，走入了“如何安全传输”的年代。而在这场比电影更精彩的现实大戏中，有两个人贡献了两幕高潮。

斯诺登说，有人在监听。

潘建伟说，他们听不懂。

首颗“量子科学实验卫星”的发射成功，有望让量子通信真正进入广域传输时代；其“测不准”“不可克隆”等特性，使得其传输的信息在理论上永不会被解密。

不过，发射卫星只是一个起点，在“宏伟量子大厦”中，量子京沪干线正在飞速搭建，天地一体的广域量子网络倚马可待，市场应用不断突破。在第二次“量子革命”中，中国正在领跑。

十年磨剑，量子通信从“三点一线”走到“洲际传播”

中国科学技术大学、杏林苑和滨湖新区……2008年10月，这三个合肥市内本不相干的点，因为一次实验连接在了一起。它们仨因为组成了三节点可扩展的量子通信网络，实现了全球首个量子保密电话系统建设，而被永久载入史册。

随后，五节点，四十六节点，合肥、济南城域网，“京沪”城际网……量子通信网在不断扩展。将近十年后，随着量子卫星的发射成功，量子通信网络真正可能升至 “广域”“洲际”传播，为信息保密传输画上了“天地一体”的注脚。

提 起量子通信这一“永不被解密”的安全传输方式，很多人觉得晦涩，而记者采访了解到，这一技术已经在市场上得以产业应用。以中国科学技术大学潘建伟团队为技 术依托的科大国盾量子技术股份有限公司，把量子通信带到了日常生活中，形成了以量子密码通信终端设备、网络交换/路由设备为核心的量子信息安全系统整体解 决方案。

目前，工商银行、北京农商行等多家银行率先试用了量子通信加密技术。作为首批用户之一，工商银行数据中心（北京）网络部总经理任长 清曾在接受采访时介绍，现在工行试点的部门，就是通过国盾的量子加密技术，将数据从数据中心传输到同城的另一个机房内。“从理论上讲，通过设备产生量子密 钥，再对数据进行加密传输，是不会被窃取的，这对金融数据传输是非常有必要的。”

而将在今年年底贯通的量子京沪干线，总长2000多公里，建成后，目标应用于军事、金融、政务等领域信息的安全传输。金融机构、媒体、大型企业，都可以成为量子通信的用户。

竞争加剧，“第二次量子革命”我们如何领跑？

量子信息技术方兴未艾，这一领域的国际竞争也在不断加剧。今年以来，欧美纷纷提出“第二次量子革命”计划，加大基础研究和产业发展方面的投入。

今 年3月，欧盟委员会发布《量子宣言（草案）》，计划于2018年启动10亿欧元的量子技术项目。其中在量子通信方面，规划5年内突破量子中继器核心技术， 实现点对点安全量子通信。10年内实现远距离量子网络、量子信用卡应用等，目标融合量子通信与经典通信，“保卫欧洲互联网安全”。美国更是将“量子跃迁” 作为“6大科研前沿”之一，认为人类正站在下一代量子革命的门槛上，量子力学正在导致变革性技术，必须加大投入促进交叉性基础研究。

在中科大上海研究院，张强教授告诉记者，他受邀参加了今年5月在荷兰阿姆斯特丹举行的欧洲量子会议，这次会议上有参会者明确提出，欧洲要成为世界量子技术发展竞争中的领导者，并提议建设类似于中国“量子通信京沪干线”的项目。

发射全球第一颗量子通信卫星，无疑确立了我国在国际量子通信研究中的领跑地位。根据我国量子通信发展规划，量子卫星发射以后，今年底建成“量子通信京沪干线”，国内初步形成广域量子通信体系。到2030年左右，中国率先建成全球化的量子通信网络。

今 年6月，国家发展改革委印发的《长江三角洲城市群发展规划》，也为量子通信的实用化勾勒了蓝图。其中提出，加快城市群主要城市域量子通信网构建，建成长三 角城市群广域量子通信网络。积极建设“量子通信京沪干线”工程，推动量子通信技术在上海、合肥、芜湖等城市使用，促进量子通信技术在政府部门、军队和金融 机构等应用。

“我们的打算是在未来十年内，形成天地一体的全球化量子通信基础设施；形成完整的产业链和下一代国家主权信息安全生态系统；构建基于量子通信安全保障的未来互联网，也就是‘量子互联网’。”潘建伟说。

把握先机，让产业应用走得更快更健康

据了解，我国目前在全球量子通信竞争中能处于领先地位，一方面得益于国家对量子信息领域发展的高度重视，同时也依靠科研工作者取得的一系列重大突破。

然而作为一项新兴技术，即使技术积累和产业化方案都更成熟的我国，也同样面临着市场培育的困难。目前我国量子通信产业的主要应用在军事方面和政府部门，商业市场的接受度还有待提高。

“保密传输是减少损失，而不是带来价值，或者说它带来的价值是隐性的，用户很难显性察觉得到。”科大国盾量子信息技术有限公司副总裁何炜说，目前绝大多数合作伙伴都是在政府部门指导下，示范使用产品，真正花钱购买、进入商业化还需要一定的市场培育时间。

记者调研也发现，虽然量子通信产业化还在初期，一些“山寨”公司已经开始借量子的名头，为了提升股价或尽快上市，甚至只是买了两套设备，就拿着正牌企业的资料和PPT到处宣讲，炒作自己的量子概念。这些企业的不良行为，将会影响量子通信产业化的正常推进。

业内人士认为，应尽早启动国家量子科研重大专项、组建量子信息国家实验室，以保持我国的量子科研优势地位，推动量子通信加速形成产业化。

“我们希望能和运营商、广电系统等一起去推进网络的建设。这不能闭门造车，而是要合纵联盟，合作伙伴中有用户、网络运维方、云服务器提供商、设备供应商等。基础设施的加快推进，是未来走向产业化的必经之路。”何炜预计，量子通信产业在五年内会爆发式增长。

谷歌和美国宇航局联合开发的D-Wave 2X量子计算机在测试中运行速度是传统芯片的1亿倍。

顾名思义，量子计算机是一种实现量子计算的机器。量子计算机是一种遵循量子力学定律进行高速数学和逻辑运算、存储和处理量子信息的物理设备。当一个设备处理和计算量子信息并运行量子算法时，它就是一台量子计算机。

两年前，谷歌和美国国家航空航天局(美国航天局)开始研发D波量子计算机。该项目旨在证明量子计算能否带来计算机性能的飞跃。两年后，D-Wave 2X诞生了，谷歌称这款电脑的每个芯片上有超过1000个量子位。

在美国宇航局艾姆斯研究中心举行的一次会议上，谷歌和美国宇航局宣布量子计算确实可以给计算机性能带来巨大的改进。当解决一个涉及945个二进制变量优化的问题时，D-Wave X2的速度已经达到了传统芯片的1亿倍，这真是令人惊讶。

此外，谷歌和美国航天局还比较了D波X2计算机的量子计算方法和传统计算机上的量子蒙特卡罗方法(后者是一种模拟量子隧道效应的算法)。这一次，量子计算机又赢了。

谷歌工程技术总监哈特穆特·内文(Hartmut Neven)表示，“这是一个值得鼓励的结果，但要将量子计算机带入我们的日常生活，技术人员仍有大量工作要做。”

应该注意的是，D波量子计算机的一般计算能力目前仍然很弱。它现在只能完成少量的特殊任务。此外，“超过1000个量子位”的数据还有待证实。毕竟，在过去，人们使用几个物理量子位来合成一个计算量子位，而谷歌没有指出D-Wave在量子位制造技术上的区别。

1.高速汽车

2005年，中国和西门子签署了CRH3动车组合同和技术转让协议。随后，中国从西门子公司引进了150多名专家来指导电动车组的设计和制造。在中德专家团队的合作下，中国的铁路客车在30年的变革中突飞猛进。2008年，京津城际铁路投入运营。北京和天津只需半小时就可直达，在运行速度、交通量、节能、环保和舒适性方面创造了四大世界领先。2008年，对外项目总协调人韦斯特获得了中国政府的“友谊奖”。唐车公司参与了“京津城际铁路工程”高速动车组——CRH3动车组的建设和供应，获得2012年国家科技进步奖一等奖。

2.量子通信技术

HKUST潘剑伟量子信息研究团队与斯坦福大学、剑桥大学、德国、奥地利、瑞士等国际知名大学和科研机构开展了国际合作，取得了一系列国际领先的原创性成果，特别是在实用量子通信技术的发展方面，使中国在世界新兴的量子信息领域占据了一席之地。该团队的成果曾被英国《自然》杂志评选为年度十大科技亮点，五次被欧洲物理学会或美国物理学会评选为年度重大国际物理进展，七次被两院院士评选为中国科技进步十大新闻。

3.第一月宫

人类在外层空间长期生存的核心技术是当今世界上最先进的生物再生生命支持系统。自2004年以来，中国国家航空航天大学刘宏教授引进了100多名外国专家。通过引进消化、吸收、再创新和自主创新，他从零开始建立了空间生物再生生命支持的技术体系。经过10年的努力，他为中国的第三个太空基地研制出了世界上第一个综合生命支持基金会实验装置“月宫1号”。2014年5月，他在中国成功完成了第一个长期高封闭性集成实验。封闭实验持续了105天。这将使中国的技术水平达到国际最高水平。研究成果将为我国未来深空探测的生命保障提供理论和基础技术。

4.互联网技术

1987年9月14日，经过四年的努力，中德两国专家突破了美国对中国的技术封锁，通过各自的邮件系统向中国发送了第一封电子邮件，使中国正式进入国际计算机网络，成为互联网上的注册国。德国专家和中国政府“友谊奖”获奖专家维纳·左森为此做出了重要贡献。后来，经过中美两国专家的共同努力，1993年，由中国科学院高能物理研究所建立的接入美国SLAC国家实验室的64K专线(由AT&T国际卫星频道租用)正式开通，成为中国第一条部分接入互联网的专线，中国互联网时代开始了。

5.“CR-01”6000米水下机器人

中国机器人工业的先驱蒋新松自1992年以来一直带领一个团队与俄国合作开发一个6000米无缆自主水下机器人，主要在我们身边。1995年8月，“CR-01”6000米无缆自主水下机器人研制成功，使我国机器人整体技术水平进入世界先进行列。“CR-01”6000米无缆自主水下航行器1997年被评为中国十大科技进步之一，1998年获国家科技进步一等奖。自1999年3月以来，中国和俄罗斯继续合作共同开发7000米载人潜水器，以掌握深海勘探的关键技术。

现在，IBM已经成功地在一台经典的超级计算机上模拟了一台56比特的量子计算机，只用了4.5兆字节。

在此之前，相关研究人员认为49个量子位已经是目前超级计算机的极限，无法模拟更多的量子位。

研究人员将模拟任务分成多个并行模块，这样他们就可以同时使用一台超级计算机的多个处理器来满足模拟一台56位量子计算机所需的效率。

南加州大学的伊泰·亨说:“IBM已经打破了量子计算机49个量子位的限制，这意味着他们已经失去了对拥有量子设备的人的绝对量子优势。”

最后一个量子态也是通过划分模块来计算的。每个模块都涉及变化幅度的计算，共有个模块。在56量子位电路中，最后一个量子态总共有8个模块，每个模块只有一个变化幅度。这意味着与之前的最后一次量子态计算相比，具有56个量子位的电路模块增加了，并且每个模块的变化幅度减小了一个数量级。然而，由于每个模块都可以并行计算，因此只能通过增加处理器的数量来加快计算速度。

所有的模拟测试结果都是通过劳伦斯利弗莫尔国家实验室的瓦肯超级计算机获得的。瓦肯超级计算机使用蓝基因/量子系统。模拟没有成功。在得出论文中描述的实验结果之前，研究人员进行了许多额外的实验。这部分没有在报纸上显示，整个过程花了两天时间。此外，模拟还需要超级计算机的高内存。内存需要扩展到4096个节点，每个并行计算至少需要64TB的内存空间。

结论与未来工作展望

强大的计算能力仍然依赖于超级计算机。我们的贡献主要是采用了一种新的电路模拟方法。通过这种模拟方法，超级计算机可以打破量子计算机无法模拟的极限——50个量子位。可以预见，我们模拟的实验数据显示了波特-托马斯分布，这与通过普通随机电路模拟获得的概率分布是一致的。这种分布是通过分析49个量子位电路的所有量子态的所有模块的模拟结果而获得的。现在已经证实，这种分布与56个量子位电路的结果非常吻合。如引言中所述，计算测量结果的量子幅度对于评估量子器件的正确操作是很重要的。然而，这项研究尚未探索这一应用。

此前，研究人员认为在经典计算机中模拟49位随机电路是不可能的。现在，如果在具有足够内存的高端服务器上通过并行模块模拟获得的数据结果也能很好地符合波特-托马斯分布，这是否意味着可以在不使用超级计算机的情况下对量子器件的测量结果进行常规幅度计算？如果这真的可能，最多能执行多少个量子位？当然，电路的深度也需要考虑。研究人员计划从这两个方面进行全面的探索。此外，张量模块计算几乎不能并行化，所以从理论上讲，使用高端服务器计算输出幅度的电路也可以使用足够多的高端服务器，按照一定的分布实现整个计算和仿真。这样，这些计算不再局限于特定超级计算机的可用内存。即使在原则上，我们也可以在网络云上进行这样的模拟。然而，这种电路的计算程度还有待验证，能否完全模拟的问题现在已经成为一个经济问题，而不是从物理角度的合理性问题。除了上述完整电路的计算可行性之外，张量模块还可用于主动控制子回路的算法分析和仿真，该模块的测量结果也可用作电路其余部分的动态输出。

随着量子计算技术的进步，50个量子位系统已经不远了。为了更好地实现对量子器件性能各个方面的评估和改进，我们需要一种能够测试和评估量子器件保真度的方法，这反过来需要计算这种尺寸甚至更大的器件的理想量子态的幅度。在这项研究中，研究人员提出了一种新方法，可以显著扩展经典计算的边界。

该方法首先输出量子比特二维点阵中深度为27的完整电路的幅度(数学误差处理)，然后计算并仿真结果。研究人员进一步给出了深度为23的完全随机电路的任何模块的计算结果。在此之前，由于内存问题，这些计算是不可能的。使用本文提出的方法，上述两种模拟分别只需要4.5和3.0TB来存储计算数据，这对现有的经典计算机是非常有益的。

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量子计算机运行将更准确可靠

科技日报北京5月9日电 （记者聂翠蓉）《自然·通讯》杂志在线版8日刊登了芬兰科学家的一项突破性研究成果：他们研制出一种被称为“纳米冰箱”的量子电路制冷装置，能让量子位保持在足够低的温度下，从而准确可靠地运行。研究人员表示，这种制冷器未来能集成到包括量子计算机在内的多种量子电气设备中。

普通计算机用0和1存储信息，可通过制冷扇或制冷罩等方式散热降温。而量子计算机使用量子位存储信息，这些量子位是两个能态叠加后形成的双态量子系统。由于叠加态量子位对外部干扰非常敏感，轻微干扰就会破坏它们，造成运算错误，因此必须将其与外部干扰很好隔离。但量子位在隔离后很容易变热升温，对量子计算机造成影响。

量子计算机在执行快速运算中，会有成千上万量子位同时参与。为了保证计算结果准确无误，量子位在开始一种算法之前，必须初始化至低温能态。如果量子位过热，就无法实现初始化，从而在运行多个量子算法时不能快速切换。

针对上述问题，芬兰阿尔托大学量子物理学家米可·默托恩和同事研制出一种量子电路制冷器。量子电路通过两个独立的电子隧道形成能带，一个电子隧道是允许电子零电阻通过的超导快速通道，另一个是非超导的慢速通道。慢速通道内的电子能够摄取附近量子设备中多余热量，跃迁到超导通道。高温电子跃过能带，低温电子“滞留”下来，就像冰箱制冷机制一样，将量子系统内的热量带走。

在测试实验中，该量子制冷装置成功让量子超导谐振器冷却下来。通过调整外部电压，就能实现对冷却的开关控制。下一步，研究团队将改进纳米制冷器并测试其对实际量子位的冷却效果。

默托恩表示，新纳米制冷器有望5年到10年内实现商业化，让未来量子设备执行运算任务时，在不同算法间快速切换，提高其运算能力和可靠程度。

量子：物理学中常用到量子概念，它是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小单元，不存在“半个光子”。量子这个词来自拉丁语ｑｕａｎｔｕｓ，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。普朗克在１９００年首次提出量子概念，经爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔、玻恩等科学巨擘不断完善，量子力学理论在２０世纪前半期初步成形，目前还在不断发展中。

量子纠缠：这是一种奇怪的量子力学现象，处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变（比如人们对其进行观测），另一个的状态会瞬时发生相应改变。这种“心灵感应”似的神秘关联被称为量子非定域性，爱因斯坦称其为“鬼魅般的远距作用”。

纠缠光子：光子也是一种量子，处于纠缠状态的光子被称为纠缠光子。

纠缠分发：就是把制备好的两个纠缠量子分别发送到相距很远的两个点，通过观察两个点的测量结果是否符合贝尔不等式来检验量子纠缠的存在。这是验证远距离量子力学正确性和实现广域量子网络必不可少的手段。

贝尔不等式：这是１９６４年由物理学家约翰·贝尔提出的一个数学不等式，在经典物理学中成立，但在量子力学中不成立，这可以验证量子力学理论。虽然过去已有大量实验支持量子力学，但是这些实验设计都存在漏洞。通过无漏洞的实验来检验贝尔不等式，一直是国际物理学界竞争最激烈的挑战之一。

量子超光速通信,量子超光速通信是什么意思

自19世纪进入通信时代以来，人们就一直梦想着一种比光速更快的瞬时通信方式。这种方式使得信息的传递不再通过信息载体（如电磁波）的直接传输来完成，而是通过一种类似于心灵感应的神秘机制，从而使通信不再受空间距离的限制。今天，科学的发展已经为我们提供了这种神秘的机制，这就是量子非定域影响或量子超光速影响，而依此实现的通信方式被称为量子超光速通信。利用“意识”来实现超光速通信听起来的确有点不寻常，毕竟在通信领域中我们一直只与物质打交道。但也许这是非常自然的事情，因为只有意识才能最终识别通信的内容。此外，意识参与实现量子超光速通信似乎预示了更加复杂的技术与仪器将需要意识本身的直接参与，而不只是通过具有意识的人来设计。

超光速运动图

然而量子力学与相对论存在着明显的矛盾，这一不协调性问题，称为20世纪末物理学晴空的一朵乌云。

与传统光速通信相比，量子超光速通信具有许多人们梦寐以求的优点。首先，量子超光速通信的线路时延可以为零，从而是最快的通信方式；其次，量子超光速通信丝毫不受通信双方之间空间环境的影响，是完全抗干扰的；第三，量子超光速通信可以使第三方无法进行干扰和窃听，信息载体完全可以只保存于信息的收发双方处，是保密性最强的通信方式；最后，量子超光速通信将完全是环保型的，不存在任何电磁辐射污染。

一旦我们离开地球去探索广遨的宇宙空间，光速通信的时延局限性便会立刻显露出来，此时光速通信将基本上失去意义。利用超光速通信，空间距离将不再成为通信的障碍，人们可以在相距任意遥远的地方进行实时交谈。同时，未来的超光速通信将完全是个人化的，完全保密、抗干扰和绿色的。科学也许在未来的二三十年里就会带你走进这样神奇的超光速通信时代。

量子是纳米的10分之1，每秒10亿次的谐振，能消除各种有害物质，包括血栓疾病，农药残留，转基因量子能轻松穿透钢铁墙壁，穿过人体丝毫感觉不到。目前，量子技术产品涵盖量子卫星、量子计算机、量子通讯等领域，当然很多朋友也接触过一些民用量子产品，比如量子水杯、量子鞋垫、量子能量棒，甚至量子香皂等。

但大家一定要注意，量子并不特指某种粒子，目前关于量子理论以及应用还在不断深化探索之中，对于任何关于量子民用产品的领域，基本都是张冠李戴，概念包装，和真正意义上的量子毫无关系，所以大家要谨防被忽悠，

提纯硅的装置

在去年获得了5个9(99.9998%)纯度的硅之后，美国国家标准和技术研究所的团队创造了另一项记录:他们用一种相对简单的技术生产硅，这可能是目前纯度最高的硅。超过99.9999%的材料由硅28组成，不确定同位素硅29不到百万分之一。

许多量子计算方案需要同位素纯硅，例如，作为嵌入量子位(存储信息的量子位)的衬底。该研究所物理测量实验室的项目负责人兼量子过程和计量团队乔希·波默罗伊(Josh Pomeroy)表示，“现在真正的挑战是如何将这种无定形高纯度硅制成用于晶片或外延层的硅形式”，这对于构建实用的量子信息系统来说是必不可少的。他们在这方面取得了一些成功，并能使这种高纯度的硅生长成近乎完美的晶体。

为了满足大多数量子计算的目的，需要纯度至少为99.99%的硅28，但是这种硅目前无法从可靠的商业来源获得。天然非高纯度硅包含约92%的硅28和约4.7%的同位素硅29。然而，硅29的存在是量子计算必须克服的难题，因为它将导致量子信息的崩溃，即量子比特的“去相干”。每次硅29的含量减少10倍，相干时间可以延长10倍。

硅沉积室的内部

为了进一步提纯硅28，研究小组采用了一种类似于质谱的技术。根据物理学家组织网络8月13日(北京时间)的报道，他们首先用高压电离并提取富含自然的硅烷气体中的硅原子，然后使它们通过磁场，这将导致离子的轨道弯曲，并且曲率半径取决于离子的质量，因此硅28和硅29将被分离成不同的光束。硅28的离子束然后被引导到大约1平方厘米的非高纯度硅衬底上，以便于收集硅28离子。这种方法比生产高纯度硅的其他先进技术简单得多，例如国际阿伏伽德罗项目，该项目旨在使用由高纯度硅制成的完美球体28来定义千克标准。

然而，经典计算和量子计算都需要具有规则晶体结构的高纯度硅，因为非晶硅充满了悬挂键、氧分子和其他杂质，导致较差的电性能。为了获得晶体硅样品，研究人员允许硅28在加热到1250摄氏度高温的非高纯度晶体硅衬底上生长。结果，这种高纯度硅几乎可以完美地模仿衬底的结构。他们原本预计这一加热步骤会降低晶片的纯度，但令他们惊讶的是，当样品被加热到600摄氏度时，也许是由于真空压力，纯度增加了10倍，达到6 9(99.9999%)。这种超高纯硅可以应用于所有使用硅基量子位的量子系统。Pomeroy的团队计划通过测试硅的电子特性来进一步改进和验证硅是否真的有助于保持一致性。

强调

硅有许多同位素。硅28是一种同位素，其提纯技术难度比制造太阳能电池板的硅晶体高几个数量级。科学家们一直在绞尽脑汁，以减少外部环境效应(即退相干)导致的量子相干衰减。量子计算中最重要的量子特性是相干性，因此相互关联的一系列量子比特作为一个整体起作用。如果长时间不保持一致性，计算就无法完成。本研究试图通过材料创新来延长退相干时间，以解决量子高速计算的最关键问题。

宇宙是如何诞生的？一种理论认为宇宙是通过某种量子机制从虚无中诞生的，比如量子隧道效应。20世纪80年代，物理学家斯蒂芬·霍金和詹姆斯·哈特进一步发展了这一观点，指出时间在宇宙诞生之前并不存在。这个基础使他们得出结论，宇宙中没有初始边界条件，无论是在时间上还是空间上。这个想法被称为“无边界方案”或“霍金-哈特尔状态”。

然而，准确描述一个物理系统如何从0到有限尺度变化将是一个巨大的挑战。为了描述所涉及的量子效应，物理学家使用了路径积分的表达式。量子力学中的路径积分表达式是从经典力学的作用原理出发，对量子物理的推广和表述。它用两点之间所有路径之和或函数积分获得的量子振幅代替了经典力学中的单路径。

然而，尽管路径积分的表达式在描述如何使宇宙“从无到有”方面相对成功，但根据其原理，其结果将包含一些不稳定的扰动，这表明宇宙将是高度非均匀的和各向异性的。但是在实践中，我们观察的宇宙通常是同质的和各向同性的，也就是说，在所有方向上的观察通常是相似的。结果，根据量子力学的路径积分表达式方法得到的结论与实际观测结果存在偏差，无法准确描述观测到的宇宙。这让一些科学家觉得，所谓的“无边界方案”不能为我们提供一个准确描述宇宙起源的方案。

但是现在，在一项新发表的研究中，德国波茨坦的马克斯·普朗克引力物理研究所(也称为“阿尔伯特·爱因斯坦研究所”)的物理学家爱丽丝·迪·图茨和让-吕克·莱纳斯的工作表明，在使用路径积分表达式方法时，有一种方法可以避免这种理论上预期的不稳定性，从而为无边界方案提供了一个不一致的定义。

莱纳斯说:“我认为我们最大的突破在于我们给出的新定义，它不再把宇宙的诞生描述为完全没有时间和空间。相反，在新的数学框架下，我们可以避免以前的不稳定性。简而言之，我们认为时间和空间都有波动。事实上，这是任何人在研究量子理论时都应该预料到的，因为量子不确定性的原理要求这样的波动或振荡时刻存在，即使是在时间和空间本身中。”

这个新方案结合了几个先前提出的想法来克服理论上的不稳定性。他们的工作基本上改变了路径积分法定义的空间的几何特征。路径积分本质上表达了宇宙在某一时刻的状态。它会穿过一些特定的点(称为“鞍点”)，其效果对应于可能的霍金-哈特状态。

然而，大多数鞍点是不稳定的。在这项最新的研究中，研究人员做出的最大和最重要的改变是改变整个几何结构的边界条件，从而消除路径积分中那些不稳定的鞍点。在新的几何结构中，路径积分过程中只经过一个鞍点，这个鞍点是稳定的，从而避免了原方案固有的不稳定性。在这个稳定的鞍点上，应该存在满足无边界方案定义的霍金-哈特状态。

通过展示一种构建无边界方案的稳定方法，这一结果有望引发对宇宙诞生方式的反思。然而，仍然有许多问题需要解决。

莱纳斯说:“将来，当弦理论被纳入时，我们计划看看我们的新定义是否仍然有坚实的基础。此外，我们还将探讨无边界方案是否有其他形式的稳定性定义。然而，最大的问题仍然存在，那就是，我们的理论是否能够得出一个可以通过观察得到验证的结论。”(晨风)

7月3日凌晨，国家科技大学网站宣布，中国科技大学潘剑伟教授及其同事陆朝扬、刘乃乐、王锡林通过调整6个光子的偏振、路径和轨道角动量，在世界上首次实现了18个光学量子位的纠缠，创造了所有物理系统中最大纠缠态制备的世界纪录。结果以“编辑推荐”的形式发表在《物理评论快报》上。经过国际同行评审，从提交到正式接受仅用了三周时间。

由于量子信息技术的巨大潜在价值，欧美国家正在积极整合各种研究力量和资源，在国家层面开展协同研究。例如，欧盟在2016年宣布推出其旗舰量子技术项目。最近，美国国会也正式通过了国家量子行动计划。在此之前，大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等。也积极参与量子计算研究。

多量子位的相干操纵和纠缠态的制备是发展可扩展量子信息技术，特别是量子计算的核心指标。量子计算的速度随着实验可以控制的纠缠比特数呈指数增长。然而，为了实现多量子位的纠缠，需要高精度和高效率的量子态制备以及独立量子位之间相互作用的精确调控。随着量子位数量的增加，由操纵引起的噪声、串扰和误差也会增加。这对量子系统的设计、处理和控制提出了极高的要求，对量子纠缠和量子计算的发展提出了巨大的综合挑战。

多粒子纠缠操纵作为量子计算不可逾越的技术制高点，一直是国际竞争的焦点。2016年底，潘剑伟团队同时实现了10个光子比特和10个超导量子比特的纠缠，刷新并保持了两项世界纪录。最近，出于商业目的，尽管IBM、英特尔、谷歌和其他公司已经宣布他们已经处理了更多的量子位样本，但是这些量子位还没有形成纠缠态。

在过去的20年里，潘剑伟和他的同事们一直引领着多光子纠缠和干涉测量的发展。在此基础上，他们创造了一种控制多自由度光子的新方法。2015年，潘建伟、卢朝扬课题组通过量子控制技术的实现以及光子偏振和轨道角动量两个自由度的无损测量，首次实现了单光子多自由度的量子隐形传态。相关成果被物理研究所新闻网站《物理世界》评选为“年度国际突破”。从那以后，研究小组进入了“无人地带”，对三个自由度的多个光子进行联合调控。经过多年不懈的探索和技术研究，该研究团队自主研发了高稳定的单光子多自由度干涉仪，实现了不同自由度量子态之间的确定性和高效的相干转换，完成了18个量子位的262144个态的同时测量。

在此基础上，研究团队成功实现了18个光学量子位超纠缠态的实验制备和严格多体纯纠缠的验证，创造了所有物理系统制备纠缠态的世界纪录。这一成果可进一步应用于大规模、高效率的量子信息技术，表明中国在多体纠缠的国际研究中仍处于领先地位。