量子纠缠及其应用前景分析

２０１９年６月１０日第３卷第１１期现代信息科技Modern Information Technology Jun.2019 Vol.3 No.11

242019.6

量子纠缠及其应用前景分析

徐成

（陆军工程大学训练基地，江苏 徐州 221004）

摘 要：量子纠缠描述了两个或多个互相纠缠的粒子之间的一种“神秘”的关联，即使各自相互距离很遥远，之间也没有

任何介质，但是其中一个粒子的行为将会影响到另一个粒子的状态。文章介绍了量子纠缠的内涵，结合当前的科技发展现状，分

析了其在能量回收、信息加密、通信、计算以及军事领域的应用前景，并就其未来发展可能带来的影响进行了探讨。

关键词：量子纠缠；量子技术；信息加密

中图分类号：TN918；O413.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）11-0024-02

Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｓｐｅｃｔ

XU Cheng

（Training Base of Army Engineering University of PLA ，Xuzhou 221004，China ）

Abstract ：Quantum entanglement describes a “mysterious ” relationship between two or more entangled particles. Even if they are far apart from each other ，there is no medium between them ，but the behavior of one particle will affect the state of the other. In this paper ，the connotation of quantum entanglement is introduced ，and its application prospects in energy recovery ，information encryption ，communication ，computing and military fields are analyzed ，and the possible impact of its future development is discussed.

Keywords ：quantum entanglement ；quantum technology ；information encryption

收稿日期：2019-05-080 引 言在量子力学领域，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已经综合成为整体性质，无法单独描

述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这种现象为量子纠缠。例如，对于两个相互关联的粒子，当测量其中一个粒子时，另一个粒子即便在远处的任意位置也会同时做出相应的变化，它们彼此之间没有任何信息传递，但确实

又存在着超越空间的相互作用[1]。这种两个或以上的粒子相互作用的现象被爱因斯坦称为“幽灵”。随着量子理论的发展，量子纠缠已经被科学界广泛认可，合理利用该现象也会在诸多方面影响我们的生活。1 量子纠缠的现象量子纠缠描述了两个或多个互相纠缠的粒子之间的一种“神秘”的关联，即使各自相隔距离很遥远，之间也没有任何介质，但是其中一个粒子的行为将会影响到另一个粒子的

状态，假设其中的一个粒子被操作而自身的状态发生了变化，其中的另外一个粒子也会发生相应的变化。例如，先让粒子A 和粒子B 发生“纠缠”，然后将两个粒子一个送到月球，一个送到火星，当月球上的粒子沿着顺时针旋转时，火星上的粒子会沿着逆时针旋转；相反，如果月球上的粒子逆时针旋转，那么火星上的粒子会相应顺时针旋转。但是在测量之前，任一粒子的旋转方向都是不确定的，只有测量这个动作发生了，才能确定某一粒子的旋向，而当这个粒子的旋转方向确定以后，另一个相互纠缠过的粒子的旋向也就一定了。

2 量子纠缠的发展现状

尽管量子纠缠仍然非常神秘，但是目前为止科学家们对它也有了一些了解，物理学家已经展示了量子纠缠是如何在相隔不同距离的条件下工作的。其中，由潘建伟研究团队通

过同时操纵6个光子的自由路径、极化和轨道角动量实现了18量子位的量子纠缠，同时实现了卫星地球之间千公里级

的量子纠缠和密钥分发及隐形传态。当我国发射的量子科学

实验卫星墨子号过境的时候，其同时与丽江高美古站和德令哈站建立了光链路，卫星上纠缠载荷每秒产生近1000万纠缠对，而光链路以每秒一对的速度在地面超过1200公里的两个地面站中建立量子纠缠，这一成就将使得未来量子通信

在未来更加实用和可靠[2]。

3 量子纠缠的应用前景分析

3.1 在能量回收领域的应用

美国亚利桑那大学的研究人员借助量子力学中的量子干涉原理研制了一种新型材料，该材料能够有效地将热能转化为电能。该材料的特点是非常薄，其厚度只有百万分之一英尺，应用比较方便，所需空间较小。主持该项任务的研究团队表示，如果用这种极其薄的新型功能材料将汽车的整个排

气系统全部包裹起来，利用排气系统转化得到的电能将足以点亮200支100W 的灯泡。根据此实验，我们有理由憧憬，

未来能够将损失的热能有效利用，从而大幅度减少能量的损

失，提升能量转换利用率。如果将热能转化为其他形式的能

量，能够提升各类用电设备的工作时间和稳定性，大幅降低

第11期25

2019.6在电源如何有效储能这一方面的研究投入。同时如若减小能量损耗，可以有效降低资源的开发使用率，减小对环境的污染和对地球的过度开发，为可持续发展提供基础条件，为人类文明在地球上的延续提供环境保证。3.2 在信息加密领域的应用信息的加密与解密在军事、商业等各方面自古以来都是一组相互促进、共同发展的共生技术。该技术的发展离不开当时科技条件的支持，同时也是当时科技条件的一种反应。但是无论加密方式多复杂，只要知道其中基本的规律，通过反规律而行之一般仍然能够破解加密信息。然而通过在信息传播过程中进行“量子加密”，就能够将信息保护视为“绝对安全”的级别。之所以安全，是因为假如有人闯入信号传输的网络，光子束会发生严重紊乱，导致信号传输网络中的每一个信号节点的探测器增加错误等级，相当于发出了受到袭击的警告信息，这时发送端和接收端双方都会随机选择若干键值的子集进行匹配，只有全部匹配才认为没有窃听，倘若有一点不匹配则认为信号被窃听。实际上，只要有闯入者进行尝试解码，这一举动便会导致量子密码系统改变自身的状态。因此只要发生窃听行为，都会被检查者发现，从而终止机密信息的传输或更换新密钥，进而保护各类机密信息。3.3 在通信领域的应用当前的各类通信主要是通过电磁波或光纤的方式进行传输，由于传输距离基本未超出过太阳系，所以通信速度能够基本实现全球“同步”直播。但确切地来讲，任何类型的资料通过当前的信息传输介质传播，都需要一些时间才能到达最终的接收方，只是用时较短导致人类的感官难以察觉分辨而已，距离真正的“即时通信”还存在技术手段上的硬伤。然而，量子纠缠现象为即时通信提供了可能性。也保持着特别的关联性，对一个粒子的操作会影响到另一个粒子。简单来说就是，处于纠缠态的两个粒子，即使距离再遥远，当其中一个粒子被测量或者被观测到时它的状态会被确定，而此时与之纠缠的另一个粒子的状态也会随之发生即时的改变。因此，利用这一现象，我们可以通过操纵其中一个粒子的方式引起相互存在纠缠关系的其他粒子的状态发生“即时”变

化，从而完成在距离任意遥远的两点之间的信息传送。例如，随着未来人类可利用宇宙空间的不断延伸，可能会出现人类之间或人类与其他物种之间横跨星系的交流，这种交流如果通过传统的通信方式进行，可能会导致延时数小时甚至数年。但是通过量子纠缠进行量子通信，则能够解决星际或宇宙之间任意距离的实时通信问题。当然，这一应用也面临着巨大的技术难题，目前还处于方案设想及初级试验阶段。3.4 在计算领域的应用量子计算与传统的计算机相比，其计算速度要快得多，基本上是指数倍的关系。大致原理为，计算机内部采用0和1二进制，计算采取二进制的加减乘除算法，之所以比人计算得快，只是因为计算机内部的位数较多，以及机器计算速度比人要快得多，但是其计算时还是采用特别笨的办法，一步一步按照先后顺序来算，只是速度快了而已。而量子计算不同，量子的0和1是不确定的，可以同时认为是0也可以认为是1，也就是说，量子计算是并行运算，没有按照先后顺序一步一步算，而是同时计算很多步。以“走迷宫”为例，对于复杂的迷宫，当前的计算机需要从一个点出发，遇到十字路，只能走一个方向，然后发现走不通，再返回到这个十字路口去走向另一个方向，这样不断“试错”，最终找到一

条正确的路径，因此需要一定的时间；而量子计算不同，量子可以同时从一个点出发，遇到一个十字路口，同时向四个方向前进，再遇到另一个十字路口，还是同时向四个方向前进，因此其不是逐个试错，而是同时试错，所以速度比传统计算机呈指数级别增加。“人工智能”作为当前科技领域的发展热点，其核心内容在于算法，通过大量的数据进行对比学习等方式，进行分类和特征提取。但是由于当前的计算资源和计算速度有限，导致计算速度不够或计算容量不够，使得“人工智能”在某些复杂的场合和某些对瞬时性要求较高的时候变成了“人工智障”。如果届时有量子计算机问世，同时开发相配套的量子算法，将会使得机械学习训练的时间大幅缩短，人工智能的应用场景也将会更加丰富，在智慧城市、大数据分析和金融模型开发等方面都将大有可为。3.5 在军事领域的应用

在军事领域，如有效利用量子纠缠原理，或许会制造出具备颠覆性打击功能的量子武器。根据研究表明，在量子物

理学攻关、试验成功后，至少可生产如下武器：一是重力波炮。由于在宇宙中缺乏媒介，声波或冲击波等波无法在没有介质的情况下传播，因此，传统的爆炸性武器（甚至包括核武器）在缺乏媒介的情况下，毁伤效果将变差。而重力波则不受这个限制，重力波的传播不受传播介质数量多少的限制，因此在宇宙中仍然有很强的毁伤效果；二是反物质武器。根据量子力学推论，宇宙中存在由反粒子组成的反物质，当“正物质”与“反物质”相遇时，就会发生湮灭效应，释放出巨大的能量。科学家设想根据此效应制造反物质武器，如成功问世，毁伤效能将远胜于当前的氢弹和原子弹；三是人造重力场，其实就是一个人造黑洞，任何物质只要碰上重力场发生器，其自身就会立即被撕碎，瞬间化为乌有。此外还有能够抵抗几乎所有物理攻击的防护性武器——量子防护罩[3]。4 结 论

量子技术的发展是未来科技的一个大方向，很有发展前景，但是其未知性和破坏性也足以令我们提高警惕，如何合理利用量子技术为人类造福，将是以后要进一步深入研究的重大课题[4]。

参考文献：

[1] 叶明勇，张永生，郭光灿.量子纠缠和量子操作 [J].中国

科学（G 辑：物理学 力学 天文学），2007（6）：716-722.

[2] 潘建伟，姜俊芳.世界首颗量子卫星——开启量子通信新

时代 [J].中国科技奖励，2016（8）：76-77.

[3] 张皓泊.量子通信与量子计算 [J].中国新技术新产品，2018（20）：78-79.

[4] 孙立华.威力超群的量子武器 [J].百科知识，2016（15）：32-33.

作者简介：徐成（1987.12-），男，汉族，甘肃白银人，硕士研究生，讲师，研究方向：机电一体化、通信工程、军事职业教育等。

徐成：量子纠缠及其应用前景分析