拋棄宏觀世界的一切「常識」，掙脫由傳統經驗構築的枷鎖，保持「腦洞大開」的狀態，文科生也要「咬牙堅持」，相信我，這一次你會發現量子通信，原來如此！
1月8日，2015年度國家自然科學獎一等獎被頒給了這樣一個項目：「多光子糾纏及幹涉度量」。該項目由中國科技大學潘建偉院士帶隊，彭承志、陳宇翱、陸朝陽、陳增兵共同完成。
獎項頒出後，各類科普文章紛紛出爐。簡單來說，多光子糾纏及幹涉度量就是根據量子物理原理提供的一種全新方式，對信息進行編碼、存儲、傳輸和邏輯操作，並對光子、原子等微觀粒子進行精確操縱，以確保通信安全和提升計算速度等方面可以突破經典信息技術的瓶頸。
但是要真正理解這段話，並不容易。第一個問題就是，量子物理原理是什麼？
在推開神奇量子世界的大門前，你需要輕裝上陣：拋棄掉你在宏觀世界所獲得的一切「常識」，掙脫掉那些由傳統經驗構築的枷鎖，保持「腦洞大開」的狀態，並隨時準備接受各種「這怎麼可能？」
然後，開始吧。
第一站 波粒二象性——看與不看很重要
量子，是能量的最小單位。中國科技大學近代物理教授陳宇翱說過，微觀粒子都是量子，我們在初中化學書上接觸過的原子、電子和光子，均屬量子大家庭。可以說，整個世界，都是由量子組成的。不過，由於量子太小了，對絕大多數人來說，它是「最熟悉的陌生人」。
微觀粒子，有個神奇的屬性，叫作波粒二象性。
雙縫幹涉實驗證實了這一點。想像一下，你手中有一臺電子發射器，面前擺著一個開了兩條縫隙的隔板，隔板後放置了一塊屏幕。當你打出的電子足夠多，屏幕上應該出現什麼景象？
如果電子是粒子，那麼屏幕上應該出現兩條條紋——電子隨機選擇穿過兩條縫隙中的哪一條，並在屏幕上留下痕跡。然而，現實情況卻是，屏幕上留下了明暗相間的多條「幹涉條紋」。研究這些條紋的分布後，人們驚訝地發現，光子似乎在穿過縫隙時，具有某種「波」的特性。也就是說，它並非在兩條縫隙中選擇了一條穿過，而是以「波」的形式，同時穿過了兩條縫隙，並且自己與自己發生了幹涉——如果一條波的波峰恰好遇到另一條波的波谷，亮度剛好抵消掉，形成了屏幕上的「暗處」。
但是，電子又明明白白展現出粒子的特性。當我們逐個發射電子時，你就會發現，電子穿過隔板縫隙後，會在感應屏上的某個位置打出一個亮點。只是它的分布符合幹涉條紋的分布規律：落在亮區的概率高，落在暗區的概率低。
為什麼？科學家給出了一個大膽的解釋：在撞上感應屏之前，無人幹擾，電子確實以波的方式，穿過了兩道狹縫；但一旦它撞上了感應屏，波函數立刻坍縮成為一個點。
感應屏在這裡，扮演了「觀測者」的角色。換個說法——電子呈現出什麼狀態，取決於「觀測」。
觀測很重要嗎？左看右看上看下看，那個女孩都不簡單啊？可是在微觀的粒子世界，任何一種介入，都會對測量對象產生致命幹擾。你永遠無法得到一個粒子的全部信息——當你知道了它的位置，它的速度也因為你的「知道」而發生了改變——這也是鼎鼎有名的「不確定性」原理。
第二站 量子糾纏——逆天的心靈感應
帶著一點朦朧的感悟，我們繼續上路。
疊加態，如同孫悟空的分身術。因為有著72分身，孫悟空可以同時既在此地，又在彼方。但是，如果唐僧想看清孫悟空究竟在哪裡，這調皮美猴王的所有分身都會隨機消失，只留下一個。
講到這裡，量子糾纏的概念就該登場了：相互獨立的粒子可以完全「糾纏」在一起，對其中一個粒子進行觀測可以即時影響到其它粒子，無論它們之間的距離有多遠。
著名科學家愛因斯坦對此無法接受，稱其為「幽靈般的超距作用」。
要繼續開始想像了：現在有一個大粒子衰變成了兩個小粒子，它們倆關係不和，朝著相反的方向飛開去。假設這種粒子有兩種可能的自旋——「左旋」和「右旋」。根據總體守恆，如果粒子A為左旋，那麼B一定為右旋；反之亦然。
可是，在我們沒有對A和B進行觀測之前，它們的狀態都是不確定的，每個粒子都處於一種左/右可能性的疊加態。
接下來，出現的就是連愛因斯坦都無法理解的一幕了——一旦我們觀測粒子A，它的波函數瞬間坍縮，並隨機選擇了一種狀態——比如說「左旋」；此時，儘管已經和A相距遙遠，粒子B的狀態也就瞬間確定了——它是「右旋」。
就算這兩粒子分別處於宇宙的兩端，它們同樣可以保持這樣可怕的「默契」——一旦你隨機選擇了左，那我一定會選擇右。任何所謂的心靈感應，都比不上「量子糾纏」來得深刻。
第三站 量子隱形傳態——一場「神奇變變變」
終於，我們接下來要進入核心景點了——如果，我要在兩個處於糾纏態的粒子之間通信呢？
此時，我們製備出了處於量子糾纏狀態的光子α和光子β，並且把α給了身在北京的甲，把β給了身在上海的乙。我們實際上想傳遞的東西，是光子γ。
首先，我們讓光子α和光子γ產生幹涉，並記錄下幹涉結果；然後，甲需要用經典通信的方式，比如打電話、發簡訊、傳電子郵件等，告訴乙這一結果。
拿到結果之後，我們就可以期待一場「光子變身秀」了。乙會操作一種叫作波片的東西，把β變成γ。
什麼？這是什麼意思？不要慌，可以這麼理解：α和β處於糾纏態；所以當α和γ發生幹涉時，γ和β也就自動具有某種關係了；甲告訴乙α和γ的幹涉結果，其實是告訴乙，β和γ應該具有怎樣的關係。於是，乙通過「反推」，就能將β變成γ。
請注意，量子隱形傳態，並沒有真正傳遞出去了什麼東西，而是一場「神奇變變變」。在這場「通信」中，α和β都是為了主角γ而犧牲的「炮灰」。最終目的，是讓β成為γ，讓乙能夠獲得有關γ的一些信息。
但是，目前能用量子隱形傳態傳輸的東西相當有限。獲評2015年年度國際物理學領域十項重大突破之首的，是潘建偉和陸朝陽等人的科研項目「多自由度量子隱形傳態」。這項工作的突破性，在於它首次傳送了光子的兩個性質——「自旋」和「軌道角動量」。
真正的應用，確實任重道遠。
第四站 量子密鑰分發——不可竊聽，絕對安全
不過，量子通信技術實用化的景點大門已經打開，率先走進去的，叫作「量子保密通信」。它與經典通信最為不同的地方在於，用量子的方式來傳送密鑰。
潘建偉在2015年中國計算機大會上作過一次演講。他表示，信息科學方面有信息安全的瓶頸：用晶片可能有後門，用光纖可能遭到無感竊聽；就算我們把信息進行加密，但隨著信息技術的發展，傳統上認為難以破解的東西，可能成了窗戶紙，一捅就破。
不過，如果我們用量子的方式傳送密碼，就不存在這個問題了。
中科大量子信息實驗室博士趙義傅在接受媒體採訪時介紹，量子密鑰分配是把一個信息編碼在一個光子上，一個光子有著不同的量子態，代表著0和1；把光子通過光纖發射過去，接收方接到密鑰後進行解碼。
前面我們已經說過，一個量子的狀態是未知的，根據「不確定性原理」，我們無法獲得一個量子的所有狀態信息，因此，量子也就無法被準確測量和精確複製；而量子不可能繼續分割，竊聽者也就不可能把它分成兩半，一半拿走，一半傳給運輸方；更絕的是，在這一傳輸過程中，一旦有人竊聽，微小的光子立刻就能做出反應——因為在量子尺度上，竊聽者的存在感實在太強了！
所以，量子保密通信的安全性，能夠得到極大保證。如今，量子保密通信甚至被資本市場稱為「下一個萬億藍海」。
現在，我們已經在量子通信世界遊覽了四個景點，鑑於腦細胞死傷無數，這段旅程也就告一段落。
在宏觀世界裡，我國遠距離量子通信骨幹網「京滬幹線」項目正在建設之中，預計將於2016年建成；同樣是2016年，我國還將發射世界首顆量子衛星，預計完成三大任務：衛星和地面絕對安全量子密鑰分發、驗證空間貝爾不等式和實現地面與衛星之間隱形傳態。
下一次，再進入量子通信的世界，看點將越來越多了。本文部分資料參考自《上帝擲骰子嗎》（作者：曹天元，遼寧教育出版社，2006年1月）
（原載於《科技日報》 2016-01-14 05版）