量子通讯--殖民火星的一个理想性技术要求

近年来火星上发现了水的消息使得殖民火星不但成为热门话题而且也已被不同国家的一些民间及政府机构列入了议事日程，一些年轻的少男少女们在做出了不在离开地球之前发生恋情的承诺之后开始了登陆火星的培训。

前两天看了一部去年出的名为“The Space Between Us (中译名：世界之外)”的电影。虽然该片的网评不好而且据说其低票房也让制片人赔了不少钱，却向我们提醒一点：如果要想殖民火星，应尽快发展量子通讯。

当然，该片中并没有只字提到量子通讯一事，或许那就是造成它低票房的一大败笔 ;’)。但是，该片中一些基本场景在没有量子通讯的前提下是不可能实现的，比如地球总部实况监看没能信守在离开地球之前不发生男女关系的女配角在火星生产及身亡的过程，以及在火星上出生的男孩与地球上的一个女孩进行实时的线上交谈（online chat）。交谈中，男孩告诉女孩他住在地球上某个公寓楼里，因此地球上的女孩一直以为那个男孩就在地球上，以至于当该男孩有一天来到地球上时，该女孩反而根本不相信他是来自火星的，以为他在骗她。

如果导演不是假设那时已经有了量子通讯的话，那就是忽略了一个基本的事实：光从地球到火星以最近的距离行驶也需要三分钟多，因此，地球与火星之间的任何形式的电讯都不可能以实时的形式发生，除非通过量子通讯的手段。

量子通讯的基本原理是，两个发生量子缠绕（entanglement）的粒子（比如光子）彼此之间可以“瞬间感应（也有说至少是光速的10000倍）”到对方的状态变化。根据现下时髦的量子缠绕理论，这种“感应”是不受时空的局部（locality）限制的，也就是说多远都行。但在迄今为止的实际通讯运作中，据说发生缠绕的量子之间的相关性随着距离的增大而减弱，这就使得运用量子缠绕所传递的信息的清晰度随着距离而下降。因此，目前在这方面居于世界领先地位的中国的量子通讯团队便采用了中继的方式在地面上进行远程通讯（据说最远是从北京到上海），或者是通过在与地面接收（发射）站处于量子缠绕感应的有效距离之内的卫星来帮助传递信息。

很显然，在上述的用卫星帮助地面上两点来传递光量子通讯信息的情形中，如果只用到一颗卫星，那么只有当该卫星处于地面接收（发射）站的上空才能传递相应的光量子，因而在去年进行的北京---维也纳的量子通讯中就有了一个大约半小时的等待时间，因为相关的卫星从北京上空飞到维也纳上空需要大约半小时的时间。

或许由于上述的技术上的挑战，目前的所谓量子通讯其实应该说是通讯中的量子加密，因为在通讯中量子的缠绕技术仅被用来进行加密的工作，而不是用于实时的数据传递。但是，根据量子缠绕的原理，从理论上来说，用量子进行实时的数据传递应该是可以的，关键是如何在技术上实现它而已。

另外，如果发生缠绕的量子之间的相关性随距离而衰弱这一点并不是简单的技术问题，而是有着更深层的物理原因，也就是说目前量子力学界所时髦（当然也仍然受到一些质疑）的相互缠绕的量子之间的感应可以无限长的理论存在着本质的缺陷的话，那么为了要实现地球与火星之间的实时量子通讯的话，就必须如中国团队在北京与上海之间所建立的中继站那样在地球与火星之间建立一系列的中继站，只不过要比北京和上海之间的多得多。当然，另外一个考量是那些中继站对于地球及火星表面的覆盖面积问题。前面提到，去年在北京与维也纳之间通过卫星传递用于加密的缠绕量子时有一个大约三十分钟的间隔。但是，那是第一次在北京与维也纳相关的地点之间传递相互缠绕的光量子。如果可以在火星及地球上及所有的中继站上都保存亿万对相应的相互缠绕的量子的话，就应该不需要顾虑对于火星及地球的表面的覆盖度的问题。当然，这里又涉及到量子之间的缠绕相关性是否可无限长时间保存，且如何从技术上保存的问题。

目前看来人类距离可以在火星和地球之间进行实时的量子通讯还很遥远，比人类开始殖民火星的日子要遥远得多。但上面提到的那个“The Space Between Us (中译名：世界之外)”电影，不论该片的导演是否意识到了他片中的情景对于量子通讯的依赖，都向世人提了一个醒：如果没有量子通讯，火星殖民地的居民是不可能与地球进行实时通信的，包括地球上的人不可能实时地监视火星人在干什么，更不可能实时地进行指导性的对话。实际上，这种状况使得我前不久写的英文科幻小说（The Red Hat）中关于火星上的机器人背叛地球人的情节就变得简单容易，不需对如何骗过地球人的监督加以过多的描述了。当然，如果量子通讯技术突破了，火星上不需要氧气的机器人要想骗过地球指挥中心仍然可能，只是需要多一些额外的手段了。。。。。。