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2005世界物理年科普系列报告会
从爱因斯坦解释光电效应到单光子应用
――纪念伟大的物理学家爱因斯坦解释光电效应100周年

中国科学院院士、中国科学院半导体研究所 郑厚植先生

四、听众提问

问:
  刚才郑院士提到量子密钥的通信问题,我有几点问题不太理解,比如说当地的一个黑客攻击窃听,说到如果他选择是错误的话,最后会被排除掉,假如黑客刚好选择了正确的接收方式,并且以正确的方式回到该接收者的地方,这个时候应该怎么解决?又说最后的密钥设定,还是需要接收者以及传输者来进行通信,这个通信是不是也会有不安全的因素在里面?

郑:
  你讲的是对的,Eve窃听者,因为他不能单独光窃听一次,这是一个随机的1010的数据,从概率论的观点来说有两种,一个是垂直的,一种是对角的,不能说是10次全是正确的,没关系,他可能有那么几次窃听到的是对的,Bob没有发现,但他以后还是会发现的。刚才我用了一个非常简单的东西来说的,实际要来判别是不是有人窃听,他还是要用一个统计的概念来算。有人窃听的时候,机率跟没窃听的机率不太一样,这个东西太复杂了,所以我只能形象地说。钥密通信实际上就是密钥总是要从Ailce告诉Bob,你窃听了以后这个数字位不行了,就要丢了,大体上是这样的。但真正理解这个问题要,可能还要学量子力学以后才知道,当然你这个问题问得很对。

问:
  第一个,你刚才在说测不准理论的时候,你说AB与BA之间不等于0,这存在于哪个方面?第二个是世界物理年的标志是沙漏式的形状,是什么意义?

答:
  第一个问题,我写对一口号的时候,A跟B的对一口号是A乘B减去B乘A,A乘B怎么会不等于B乘A呢?从量子力学讲,这是一个算符,你最好认可这个结果。你将来如果学量子力学以后自然就明白了。

  第二个问题,我说的也不一定准确,弄一个沙漏的样子……我没有认真地追求他们做这个标志到底是什么含义?但是我的理解,爱因斯坦的相对论里主要是空间、时间的度量。

问:
  教授您好,我想问一下关于量子密钥通信的距离传输有什么因素可以影响?什么是真正意义上的光子计算机?

答:
  量子密钥通信,目前我们真正做的,实际上我们现在还没有做出来像我刚才定义的,是一个规则的时钟光脉冲,每一个光脉冲只包含一个光子,现在是怎么做呢?光源衰减,衰到很弱了,统计平均讲一个光脉冲里面含有两个光子的机率就比较小,但不是绝对的,发了100个光脉冲当中可用的可能是一小部分,这只能用统计机率的办法来做。现在密钥光通信已经不是实验室阶段了,特别是欧洲在这方面做得比较先进,瑞士、奥地利已经成立了一定的公司,他们已经能够实现70公里的通信,已经不是是实验室的东西了。

  为什么我没有讲光子计算机?实际上我这个文章取材的时候,题目是光子计算机,但是我认为这不太合适,不是光子计算机,只不过是把光来实现芯片跟芯片之间的通信,因为过去是要靠铜线来控制的。真正的光子计算机实际上曾经在20年以前搞得非常热,但是这个时候它的概念就不太一样了,真正是利用光子的概念。问题是为什么到目前为止,光子真正意义上的光子没有什么方向,主要是现在硅的集成电路发展的太快了,什么样的技术在今后真正为社会服务?不完全是社会问题,还有经济问题,什么样的技术能够以非常低的成本进入市场?真正含义上的光子计算机在最近这些年实际上并不是很活跃。

问:
  我想知道目前中科院有研究量子计算机的实验室吗?在实验室里面能做到几个量子派的纠缠,目前能做到最基本的运算。还有IBM最近的发展如何?

答:
  在中国科学院里的研究所里,就我知道的,因为实现量子计算有不同的方案,一种方案用核磁共振的办法,MNR,还有一种办法是求径粒子,可能借光或者什么样的办法把粒子放到一个井里面。当然也有用光的偏振方向,它的两个偏振方向实际上就代表10,可以做量子计算的基本的,同时也有固体,叫量子比特,用超导也同样可以做。在国际上的发展大概是这样的,大概在1998年的时候,日本NTT有个叫那卡莫拉的,用超导的量子核,第一次在固体当中演示了单个量子比特的所有操作,但是后来这个发展很慢,直到最近是可以演示2个比特。由于联线非常复杂,比较困难。目前做得比较好的是MNR或者是求径,可能现在用求径粒子的用到10个比特。但是这些都存在一个问题,比如说我们用核磁共振,实际上是利用核自旋的方向来做10比特,但是有很大的一个问题,可能同学们去看过核磁共振,在医院里面核磁共振扫描都是巨无霸的东西。从现在来看,如果量子计算能够赶上现在的笔记本,它至少得有1000个比特左右,你就有10个比特,只能是验证量子计算是可以操作的,这是没有问题的,是绝对被证实的。对量子计算今后的发展,我个人虽然参加一部分的工作,但是我不是那么非常关注的,中国国防科技大学顾光灿院士,当时在跟我申请国家“973”项目的时候遇到了一个非常难堪的问题,因为别人问到5年以后是不是在桌子上放一个跟笔记本一样的量子计算机?我想这需要有一个很长的过程。因为量子计算机都需要有一个载体,信息可以用光波做载体,量子计算机最基本的信息载体就是波函数,这个概念应该说是量子力学跟信息科学的交叉学科的产生,未来技术的意义是非常大的。大概现在还不可能讲眼前量子计算机的水平已经能够达到多少,现在还是处在基础研究的阶段。

  据我了解,IBM还没有太多人做这样的工作,因为IBM面临着非常大的市场竞争。由于市场竞争的关系,连倍儿来幕的的官员都砍掉的,美国军方由于军事研究的运动,叫达瓦,从事美国先进技术的研究,原来支持很多的比较尖端的研究,最近好像.发生了矛盾,他要砍掉一些稍微基础性、前瞻性跟战略性的研究。他们也要把力量更多的集中在近期的研究上。关于量子计算的概念是很重要的,是量子物理跟信息科学的交叉产生的新型的科学,谁也不能够预料将来产品会有什么样的突破,但是我们往往知道很多交叉学科的出现就可能意味着在将来某一天会出现非常重大的突破,所以我想是从科学技术的发展来看的。

问:
  院士您好,我是北京五中的学生。光具有波、粒二像性,粒子性和波动性又不能同时测出,我不是特别理解。高中教材说光具有波、粒二像性,光具有波动性的说明是指光在某个位置出现的概率符合波动规律,在这个意义上说光具有波动性,只不过说运动符合波动的规律,而不是二像性呢?

答:
  我非常钦佩,实际上如果将来你们进入大学学理科的话,我不知道在大学里面第几学科要学量子力学,量子力学有很多。我说一句坦率的话,学了几十年的量子力学有时候还搞不清,刚才那位同志已经讲了,包括爱因斯坦本身,我刚才没有讲,有一个所谓的EPR的前奏,这就是到底量子力学是局域的还是非局域的。当时爱因斯坦犯的错误就是他坚决反对量子力学是非局域的事。波、粒两重性就是微观粒子,是它生来就具有的双重性,就是它既具有波动性又具有粒子性,在一种装置里观测到它是粒子性,把这个实验方案改变一下,出来的结果就是它的波动性。我个人认为,包括在大学里面的学生,不必再要想说究竟怎么回事,这个事情只能就是这么一个理解。为什么呢?光的性质没有发生变化,入射进来就是这么一光子,为什么第一个试验结果反映的是粒子性,第二个反射出来就是波动性?波动性的显示跟粒子性的显示要求有特殊的实验条件。有时候问得多了以后,反而进到死胡同里面去了,当然我对这个的理解也是非常肤浅。就像一个水波、一个声波一样,描述一个波应该有一个参量,一个是有传播的方向,第二,一定有一个相位的变化,这是很重要的,为什么能够产生光的干涉现象?就因为这两路的光经过的光层不一样,所以会聚一点的时候就刚好这一点上光是互相增强的,在另外一点上刚好这两束光相反,波动性不是很好,它能够像我们的经典波、声波一样,有干涉的现象,就是一定有相位的因素在里面。粒子性就是一个分速器,一个粒子要不进上面的探测器,要不就进后面的探测器,不可能分身,在同一个时间同时进入两个探测器,这就是它的粒子性。

问:
  有几个问题现在不明白,光失去能量提供电子能量,是让电子到一个更高能量的层,还是让电子完全逃逸?光在失去能量以后以什么形式存在?是转化成其它的基本粒子,还是以其它的形式存在?

答:
  这个问题最根本的不管是在原子里面,比如说处在一个低能量状态的电子,它吸收了一个光子,激发到上面去,严格来讲是用量子力学钥签理论,这就没法在这儿说了。一个低能量的电子,第一是能量的最终转化,光子只是把能量传递给电子了,使电子从低极跳到高能极的传递,这又是一个电子力学的概念,在光学谐振腔里只有一个单个的电子跟一个单一的光的电磁场的模式,这两个过程是可逆的。一个光子有可能被原子吸收以后,这个原子处在一个受极状态,但是这个原子过一会儿以后有跳回到原来的状态,这个光又给了电磁场了,如果没有什么损耗的时候,这个能量是跟电磁场里互相的能量进行传递,这个时候不发生任何真正的能量传递过程,当然这是一个量磁电共的学问了。

主持人:
  他们几位都已经做了非常好的总结了。爱因斯坦说过一句话,对真理的追求比对真理的占有更为重要。不管是在学校里,还是在今天这样一个科普会上,对我们中学生来说,常常都认为我们是受业,老师们是传道理,学生们是受业。逐步地从低年级到大学毕业,是否都在这里受教育?在老师的帮助之下不段地占有。但是爱因斯坦的追求真理很重要,追求真理是让你对这个学业,对知识本身感兴趣,要去追求它。也可以从受业的心态进入到求学的状态,人们到学校里求学,同学们可能被很多的考试压的很紧,以后就真的去求学,只有去受业。今天的报告有助于对同学们学的物理学,或者是更广泛的科学范畴,从真理的占有、追求的要求,我想一定能够启发很多的同学对这样一个微妙、巧妙、美妙的各种各色的科学的理解和运用,吸引着我们,至少今天看起来许多的同学们的问题,我们能够怎么在两天把量子力学的原理掌握住。我想将来的物理学家应该是非常重要的。我们非常感谢今天郑厚植院士花了非常多的时间,对这个非常难的科普做了如此深度的解释跟启发,并回答问题,我们再一次掌声感谢。