量子通訊--殖民火星的一個理想性技術要求

近年來火星上發現了水的消息使得殖民火星不但成為熱門話題而且也已被不同國家的一些民間及政府機構列入了議事日程，一些年輕的少男少女們在做出了不在離開地球之前發生戀情的承諾之後開始了登陸火星的培訓。

前兩天看了一部去年出的名為“The Space Between Us (中譯名：世界之外)”的電影。雖然該片的網評不好而且據說其低票房也讓製片人賠了不少錢，卻向我們提醒一點：如果要想殖民火星，應盡快發展量子通訊。

當然，該片中並沒有隻字提到量子通訊一事，或許那就是造成它低票房的一大敗筆 ;’)。但是，該片中一些基本場景在沒有量子通訊的前提下是不可能實現的，比如地球總部實況監看沒能信守在離開地球之前不發生男女關係的女配角在火星生產及身亡的過程，以及在火星上出生的男孩與地球上的一個女孩進行實時的線上交談（online chat）。交談中，男孩告訴女孩他住在地球上某個公寓樓裏，因此地球上的女孩一直以為那個男孩就在地球上，以至於當該男孩有一天來到地球上時，該女孩反而根本不相信他是來自火星的，以為他在騙她。

如果導演不是假設那時已經有了量子通訊的話，那就是忽略了一個基本的事實：光從地球到火星以最近的距離行駛也需要三分鍾多，因此，地球與火星之間的任何形式的電訊都不可能以實時的形式發生，除非通過量子通訊的手段。

量子通訊的基本原理是，兩個發生量子纏繞（entanglement）的粒子（比如光子）彼此之間可以“瞬間感應（也有說至少是光速的10000倍）”到對方的狀態變化。根據現下時髦的量子纏繞理論，這種“感應”是不受時空的局部（locality）限製的，也就是說多遠都行。但在迄今為止的實際通訊運作中，據說發生纏繞的量子之間的相關性隨著距離的增大而減弱，這就使得運用量子纏繞所傳遞的信息的清晰度隨著距離而下降。因此，目前在這方麵居於世界領先地位的中國的量子通訊團隊便采用了中繼的方式在地麵上進行遠程通訊（據說最遠是從北京到上海），或者是通過在與地麵接收（發射）站處於量子纏繞感應的有效距離之內的衛星來幫助傳遞信息。

很顯然，在上述的用衛星幫助地麵上兩點來傳遞光量子通訊信息的情形中，如果隻用到一顆衛星，那麽隻有當該衛星處於地麵接收（發射）站的上空才能傳遞相應的光量子，因而在去年進行的北京---維也納的量子通訊中就有了一個大約半小時的等待時間，因為相關的衛星從北京上空飛到維也納上空需要大約半小時的時間。

或許由於上述的技術上的挑戰，目前的所謂量子通訊其實應該說是通訊中的量子加密，因為在通訊中量子的纏繞技術僅被用來進行加密的工作，而不是用於實時的數據傳遞。但是，根據量子纏繞的原理，從理論上來說，用量子進行實時的數據傳遞應該是可以的，關鍵是如何在技術上實現它而已。

另外，如果發生纏繞的量子之間的相關性隨距離而衰弱這一點並不是簡單的技術問題，而是有著更深層的物理原因，也就是說目前量子力學界所時髦（當然也仍然受到一些質疑）的相互纏繞的量子之間的感應可以無限長的理論存在著本質的缺陷的話，那麽為了要實現地球與火星之間的實時量子通訊的話，就必須如中國團隊在北京與上海之間所建立的中繼站那樣在地球與火星之間建立一係列的中繼站，隻不過要比北京和上海之間的多得多。當然，另外一個考量是那些中繼站對於地球及火星表麵的覆蓋麵積問題。前麵提到，去年在北京與維也納之間通過衛星傳遞用於加密的纏繞量子時有一個大約三十分鍾的間隔。但是，那是第一次在北京與維也納相關的地點之間傳遞相互纏繞的光量子。如果可以在火星及地球上及所有的中繼站上都保存億萬對相應的相互纏繞的量子的話，就應該不需要顧慮對於火星及地球的表麵的覆蓋度的問題。當然，這裏又涉及到量子之間的纏繞相關性是否可無限長時間保存，且如何從技術上保存的問題。

目前看來人類距離可以在火星和地球之間進行實時的量子通訊還很遙遠，比人類開始殖民火星的日子要遙遠得多。但上麵提到的那個“The Space Between Us (中譯名：世界之外)”電影，不論該片的導演是否意識到了他片中的情景對於量子通訊的依賴，都向世人提了一個醒：如果沒有量子通訊，火星殖民地的居民是不可能與地球進行實時通信的，包括地球上的人不可能實時地監視火星人在幹什麽，更不可能實時地進行指導性的對話。實際上，這種狀況使得我前不久寫的英文科幻小說（The Red Hat）中關於火星上的機器人背叛地球人的情節就變得簡單容易，不需對如何騙過地球人的監督加以過多的描述了。當然，如果量子通訊技術突破了，火星上不需要氧氣的機器人要想騙過地球指揮中心仍然可能，隻是需要多一些額外的手段了。。。。。。