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量子保密通信|走进神秘的量子世界

日前 ， 中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习 。 量子科技成为舆论关注的热点话题 。 这一引发广泛热议的新晋网红究竟是何方神圣 ， 为何会受到全世界高度关注 ， 在现实生活中又有何应用前景？经济日报采访人员带您一起走近量子科技 。
认识量子科技先要从量子说起 。 量子是什么？根据量子理论 ， 量子是构成物质的最基本单元 ， 是能量的最基本携带者 ， 不可分割 。 一个事物如果存在最小不可分割的基本单位 ， 我们就可以说它是量子化的 ， 并把最小单位称为量子 。 所有人们熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子 ， 都是量子的一种表现形态 。
什么是量子
中国科学院物理所研究员曹则贤在2020年跨年科学演讲中曾打过这样一个比方：我们生活中可以见到的、感知到的事物 ， 包括光与能量的最小单位都能称之为量子 。 就像我们远处看鱼群是乌泱乌泱的一片黑 ， 但是放大了看就是一条条鱼 ， 这就可以说是鱼群的量子 。
中国科学技术大学副研究员、科普专家袁岚峰在媒体上这样撰文解释：量子的本意是个数学概念 ， 简言之就是离散变化的最小单元 。 什么叫离散变化？袁岚峰这样撰文解释：我们统计人数时 ， 可以有一个人、两个人 ， 但不可能有半个人、三分之一个人 。 我们上台阶时 ， 只能上一个台阶、两个台阶 ， 不能上半个台阶、三分之一个台阶 。 这些就是离散变化 。 对于统计人数来说 ， 一个人就是一个量子 。 对于上台阶来说 ， 一个台阶就是一个量子 。 如果某个东西只能离散变化 ， 我们就说它是量子化的 。
与我们认识的宏观世界不同 ， 人们发现在量子这一微观世界中许多实验现象违背常识 ， 完全无法用经典物理学诠释 。 比如 ， 根据经典物理学 ， 一个客体的状态（用0和1表示）就像最简单的二进制开和关 ， 只能处于开或者关中的某一个状态 ， 即要么是0要么是1 ， 这就好比一只猫 ， 要么是生要么是死 ， 不能同时又生又死 。
然而 ， 这一理论并不适用于量子世界 。 在量子世界中 ， 一只猫可以处于又生又死的叠加状态 。 这种所谓的量子相干叠加正是量子世界与经典世界的根本区别 。 更为神奇的是 ， 这种叠加状态极其脆弱 ， 一旦有人去测量 ， 它就会立刻从叠加状态变为确定状态 。
美国物理学家、诺贝尔奖获得者穆雷·盖尔曼曾发出如是感慨：量子力学是一个神秘的、令人捉摸不透的学科 ， 我们谁都谈不上真正理解 ， 只是知道怎样去运用它 。
量子通信无条件安全
虽然听起来很神秘 ， 其实量子科技距离我们并不遥远 。 比如 ， 信息时代的关键核心技术 ， 晶体管、固态硬盘、扫描电子显微镜等 ， 即是第一代量子技术的代表性成果 。 今天 ， 量子科技发展具有重大科学意义和战略价值 ， 将引领新一轮科技革命和产业变革方向 。
中国科学院物理研究所研究员范桁介绍 ， 量子科技主要包含三方面内容 ， 量子计算、量子保密通信与量子精密测量 。 其中 ， 量子保密通信主要表现为量子秘钥分发 。 量子精密测量主要以利用量子效应实现超越经典方法的精密测量为主 ， 具有广泛应用价值 。 量子计算是量子科技重要组成部分 ， 也是最具挑战的目标 ， 被认为是下一代信息产业制高点 ， 意义重大 。 这三方面内容也是世界各国量子计划的主要组成部分 。
目前 ， 应用最为成熟的当属量子通信 。 所谓量子通信 ， 简单说就是利用量子力学相关原理解决信息安全问题的通信技术 。 其中 ， 一个著名原理就是量子纠缠 。 一般情况下 ， 量子体系中一个物理量的值并不能预先确定 ， 而是依赖于采取何种测量基；进一步 ， 对处于量子纠缠的两个粒子 ， 对其中一个粒子的测量结果会瞬间确定另一个粒子的状态 ， 不论它们相距多么遥远 。 这一被爱因斯坦称作鬼魅般的超距作用 ， 便是量子通信的理论基础 。


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