兩千多年前，墨子在《經(jīng)說(shuō)下》中寫(xiě)下“光之人，煦若射?！边@一句，并意識(shí)到“光沿直線傳播”這一現(xiàn)象。

兩千多年后，2016 年 8 月16 日，以“墨子”命名的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”升空，將利用“光”繼續(xù)書(shū)寫(xiě)人類(lèi)信息傳輸?shù)奈磥?lái)。

2016 年 8 月 16 日，中國(guó)發(fā)射全球首顆量子通信衛(wèi)星“墨子”號(hào)，圖片來(lái)源：新華社

如今，設(shè)定使用壽命僅 2 年的“墨子號(hào)”，已經(jīng)在軌道上運(yùn)轉(zhuǎn) 6 年時(shí)間，更是超額完成了不少拓展科研任務(wù)。

很多人可能看到“量子”兩個(gè)字就滿(mǎn)頭疑惑，到底什么是量子？“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行了哪些工作？它又和“量子”有什么聯(lián)系？別急，讓我們一個(gè)一個(gè)了解它們的秘密。

什么是量子？

在生活里，我們可能經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到“遇事不決，量子力學(xué)”這句話(huà)，也經(jīng)常會(huì)看到如“量子速讀”這種打著“量子”旗號(hào)的偽科學(xué)，那么“量子”具體是什么？

這一問(wèn)題其實(shí)不難理解。我們生活中的一切物體，都有構(gòu)成其自身的最小單元，比如構(gòu)成“水”的最基本單元是“水分子”。光也是如此，我們從一根激光筆中射出一束光線，將這束光線進(jìn)行細(xì)分，分到的最基本單元就是“光子”。我們把構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本單元，就叫做“量子”?！澳犹?hào)”在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的“量子”，就是“光量子”，即“光子”。

“墨子號(hào)”都進(jìn)行了哪些實(shí)驗(yàn)？

在回答這個(gè)問(wèn)題前，我們先來(lái)聊聊大家比較熱衷的“網(wǎng)購(gòu)”這件事。

在手機(jī)還沒(méi)有被開(kāi)發(fā)出掃指紋、刷臉驗(yàn)證之前，我們網(wǎng)購(gòu)下單時(shí)總需要在屏幕上輸入支付密碼，可能大部分人都考慮過(guò)一件事：萬(wàn)一我的密碼被人截獲了怎么辦？確實(shí)，不僅是我們的支付密碼，所有從 A 地到 B 地傳送的通信信息，都有可能在中途被截獲、破解，造成我們的信息泄露。

此刻可能有人就會(huì)想到，那么我們制作一個(gè)密碼本，把我們發(fā)出的支付密碼等信息先進(jìn)行加密，然后在接收時(shí)候利用同一個(gè)密碼本進(jìn)行解密，這樣不就可以完成信息加密了嗎？道理是沒(méi)錯(cuò)，但遺憾的是密碼本可能會(huì)被破譯甚至直接被盜取，這樣一來(lái)加密也就沒(méi)有任何作用了。

那難道就沒(méi)有完全安全的加密方法了嗎？別急，不要忘了我們今天的主角——“墨子號(hào)”。

“墨子號(hào)”的誕生，一個(gè)重要的使命就是為了保障通信安全。傳統(tǒng)的密碼本不夠安全？沒(méi)關(guān)系，我們用量子技術(shù)生成一個(gè)“密碼本”，這個(gè)“密碼本”足夠隨機(jī)，而且一旦被第三方截獲就會(huì)被通信雙方知曉。

作為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，“墨子號(hào)”有三個(gè)重要實(shí)驗(yàn)要完成：千公里級(jí)量子密鑰（yuè）分發(fā)、千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)，和千公里級(jí)地星量子隱形傳態(tài)。在完成了這三大既定科學(xué)目標(biāo)后，“墨子號(hào)”還開(kāi)展了多項(xiàng)有重要意義的拓展實(shí)驗(yàn)，不斷實(shí)現(xiàn)新的突破。

看到這些“量子”又要眼前一黑了？別緊張，它們其實(shí)并不難理解，讓我通過(guò)墨子號(hào)的這三大既定科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)講給你聽(tīng)。

量子密鑰分發(fā)是在做什么？

它有什么用？

剛才我們說(shuō)到，為了保證真正的通信安全，需要用到量子技術(shù)來(lái)制作“密碼本”。“墨子號(hào)”的量子密鑰分發(fā)任務(wù)就是利用“墨子號(hào)”這顆衛(wèi)星，通過(guò)從太空往地面發(fā)送一個(gè)個(gè)光子，來(lái)生成“密碼本”。

那么這一個(gè)個(gè)光子，是如何形成“密碼本”的呢？想了解這一問(wèn)題，我們首先要學(xué)習(xí)一些關(guān)于光子的知識(shí)：

• 偏振：光子可以在某個(gè)方向上振動(dòng)，叫做“偏振”，光子的偏振根據(jù)角度不同可以分為多種，但在這里我們只需要了解其中四種方向：和（即偏振角度 0和 90 ）、和（即偏振角度 45和 135 ）；

光子偏振的幾種形式，每個(gè)光子的偏振夾角為 180 ，所以漫畫(huà)中 135光子偏振雖然為“ ”，但其實(shí)和“ ”是等價(jià)的。圖片來(lái)自墨子沙龍。

• 觀測(cè)：在接收光子時(shí)，會(huì)利用一副“特制墨鏡”對(duì)這些光子進(jìn)行觀測(cè)。這副墨鏡正著擺放的時(shí)候，形態(tài)像“+”一樣，可以允許 和 偏振的光子通過(guò)；傾斜擺放的時(shí)候，形態(tài)就像“ ”，可以允許 和 偏振的光子通過(guò)；

• 比特：科學(xué)家規(guī)定，用“+”觀測(cè)后，獲得 偏振的光子則代表比特“0”，獲得 偏振的光子則代表比特“1”；同樣，用“ ”觀測(cè)后，獲得 偏振的光子則代表比特“0”，獲得 偏振的光子則代表比特“1”；

• 不確定性：但是，光子比較特殊。即便是 和 偏振的光子，也可以通過(guò)傾斜擺放的“ ”墨鏡（和 也同樣可以通過(guò)“+”）。比如，硬擠進(jìn) “ ” 的 偏振的光子 ，出來(lái)后就會(huì)變成 或，但具體是哪個(gè)？別問(wèn)，概率都是 50%，具體不清楚。

如果你還是暈暈的，那下面這個(gè)表格會(huì)讓你更清晰一些：

了解了這些規(guī)則后，我們就可以開(kāi)始著手發(fā)送光子、進(jìn)而制作“密碼本”這件事了，步驟如下：

這是一項(xiàng)充滿(mǎn)了“隨機(jī)”的工作。

我們也看到了，接收者如果使用了“+”對(duì)“ ”進(jìn)行觀測(cè)，便會(huì)獲得兩種結(jié)果，即：對(duì)光子進(jìn)行觀測(cè)后，會(huì)使光子的偏振發(fā)生改變。這樣，中途如果有第三者對(duì)光子進(jìn)行截獲，那么一旦使用了“錯(cuò)誤”的觀測(cè)方式，就會(huì)讓光子的偏振產(chǎn)生改變。從而接收者和觀察者通過(guò)“對(duì)答案”（這次是交流部分初始“密碼本”）就能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，舍棄這次生成的“密碼本”。

如此一來(lái)，獲得的“0100”這串密碼，就是雙方生成的一次性量子“密碼本”。

以上，便是“墨子號(hào)”所進(jìn)行的量子密鑰分發(fā)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所使用的方法之一。這種方法名為 BB84 協(xié)議，是 1984 年，查理斯·本內(nèi)特（Charles Bennett）和吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）所提出的一種方法。這種方法可以有效發(fā)現(xiàn)通信中出現(xiàn)的竊聽(tīng)情況，從而立刻關(guān)閉通信，并重新進(jìn)行新的量子密鑰分發(fā)。

由布拉薩德和本奈特提出的 BB84 協(xié)議。圖片來(lái)自墨子沙龍。

2017 年 8 月，升空一年后的“墨子號(hào)”在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。后來(lái)，“墨子號(hào)”還基于另一種量子密鑰分發(fā)協(xié)議 E91 實(shí)現(xiàn)了無(wú)中繼千公里級(jí)的量子保密通信。這為后續(xù)構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

量子到底在“糾纏”什么？

量子糾纏分發(fā)又是在做什么？

提到“糾纏”你會(huì)想到什么？?jī)蓚€(gè)人之間的心心相??？情侶之間的心有靈犀？沒(méi)錯(cuò)，在兩個(gè)量子之間也存在 “心有靈犀”，科學(xué)家把量子之間的這種“心有靈犀”式的聯(lián)系，稱(chēng)為“量子糾纏”。

兩個(gè)存在量子糾纏的光子，圖片來(lái)自墨子沙龍

在量子力學(xué)中有這樣一個(gè)神秘的名詞：疊加態(tài)，即對(duì)于一個(gè)量子，在沒(méi)有觀測(cè)它的時(shí)候，它可能是兩種狀態(tài)的疊加；而一旦對(duì)疊加態(tài)的量子進(jìn)行觀測(cè)，量子疊加態(tài)就會(huì)坍縮成其中一個(gè)狀態(tài)。引用一個(gè)經(jīng)典例子就是薛定諤那只既“死”又“活”的貓，被關(guān)在密閉容器里的貓身上疊加著“死”和“活”兩種狀態(tài)，這便是貓的“疊加態(tài)”；而我們一旦打開(kāi)盒子，貓的疊加態(tài)就會(huì)坍縮，我們就可以知道貓到底是“死”是“活”。

而量子糾纏，是兩個(gè)量子的組合的某種奇特的疊加態(tài)，它們之間“冥冥中自有定數(shù)”——一旦其中一個(gè)量子被觀測(cè)，另一個(gè)量子的狀態(tài)也會(huì)立刻被知曉。再次用貓咪舉例便是：我有兩只被關(guān)在密閉盒子里的貓，它們都處在“生”或“死”的疊加態(tài)，而且它們是“糾纏”在一起的，即如果我打開(kāi)一個(gè)盒子，看到了一只疊加態(tài)坍縮為“死”的貓，那么另外一個(gè)盒子里的貓的疊加態(tài)也會(huì)坍縮，而且一定坍縮為“生”。

這種量子糾纏是不受距離限制的，是“非定域性”的。即便是一只貓?jiān)诘厍蛏?，另一只貓?jiān)谟钪娴牧硪唤?，這種奇特的聯(lián)系仍然會(huì)瞬時(shí)發(fā)生。愛(ài)因斯坦將這種跨越空間的量子糾纏現(xiàn)象稱(chēng)為“鬼魅的超距作用”，他對(duì)此感到憂(yōu)心忡忡，轉(zhuǎn)而提出“定域隱變量理論”來(lái)解釋這種神奇的聯(lián)系。

為了驗(yàn)證孰對(duì)孰錯(cuò)，物理學(xué)家貝爾提出了一個(gè)不等式和一個(gè)實(shí)驗(yàn)方法，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合不等式，那么就支持愛(ài)因斯坦的“定域性”理論；如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果違背了不等式，則駁斥了愛(ài)因斯坦的“定域性”理論。

可惜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒(méi)有站在愛(ài)因斯坦這邊，量子力學(xué)中的這種“鬼魅的超距作用”是真實(shí)存在的，量子糾纏確實(shí)是“非定域性”的。實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，真理來(lái)自于嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即便提出反對(duì)的是愛(ài)因斯坦。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這次愛(ài)因斯坦錯(cuò)了。圖片來(lái)自墨子沙龍

直至今日，許多科學(xué)家仍然在進(jìn)行著貝爾提出的這個(gè)量子糾纏實(shí)驗(yàn)：將兩個(gè)糾纏態(tài)量子放在足夠遠(yuǎn)的距離，隨后進(jìn)行觀測(cè)，看看得出的觀測(cè)結(jié)果是否符合貝爾不等式。同樣，我國(guó)也在云南麗江和青海德令哈兩個(gè)地面站之間進(jìn)行了量子糾纏實(shí)驗(yàn)，并且是全世界最遠(yuǎn)——相距 1200 千米的量子糾纏實(shí)驗(yàn)。

“墨子號(hào)”的作用，就是在太空中向這兩個(gè)地面站發(fā)射一對(duì)糾纏的量子。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功，為將來(lái)我國(guó)基于量子糾纏的量子保密通信打下了基礎(chǔ)。2020 年，墨子號(hào)實(shí)現(xiàn)了基于糾纏的千公里級(jí)量子保密通信。

通過(guò)“墨子號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)行量子糾纏分發(fā)，來(lái)驗(yàn)證貝爾不等式。圖片來(lái)自墨子沙龍。

量子隱形傳態(tài)是什么？

可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程物質(zhì)傳輸嗎？

在回答這個(gè)問(wèn)題前，我們先來(lái)看一個(gè)異地戀小故事：

在這個(gè)例子里，我們可以將 A 和 B 作為兩個(gè)糾纏的量子，C 和 D 分別為 A 和 B 所在位置的科學(xué)家，而 X 則是未知量子態(tài)，科學(xué)家希望通過(guò)“量子隱形傳態(tài)”的方式將這一未知量子態(tài)傳送到B上。

整個(gè)傳輸過(guò)程中，量子 X 本身并沒(méi)有被傳送 ，而是 X 的狀態(tài)被傳送到了B上——正如異地戀例子里 X 善良的狀態(tài)傳給了 B，從而讓 B 的狀態(tài)也從“惡毒”變成了“友善”。

這便是“量子隱形傳態(tài)”。不過(guò)要注意的是，在“量子隱形傳態(tài)”時(shí)，A 和 B 的糾纏消失，和 A 和 X 產(chǎn)生新的糾纏，幾乎是同時(shí)發(fā)生的。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在“量子隱形傳態(tài)”中，只是把量子 X 的狀態(tài)進(jìn)行了傳輸，而粒子本身并沒(méi)有被傳送。這和科幻作品中的物質(zhì)遠(yuǎn)程傳送有很大區(qū)別，想將物體通過(guò)量子技術(shù)從 A 地傳送到 B 地，目前來(lái)看還不現(xiàn)實(shí)。

“墨子號(hào)”到底能為我們做什么？

如果你看到這里，那么恭喜你，你已經(jīng)基本了解了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星所承載的三項(xiàng)主要科學(xué)實(shí)驗(yàn)是什么了。不過(guò)這時(shí)你可能會(huì)問(wèn)：這三個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)我又會(huì)有什么影響呢？

每一個(gè)新理論的發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，從根本上都代表著人類(lèi)對(duì)未知世界邁出新的一步。“墨子號(hào)”是我國(guó)最先進(jìn)的量子通信技術(shù)結(jié)晶，在國(guó)際上也是領(lǐng)先水平。量子通信技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)在民用和商用領(lǐng)域，在未來(lái)，更加成熟的量子通信技術(shù)將會(huì)更廣泛地應(yīng)用在通信、金融、國(guó)防等諸多方面。

作者：科普中國(guó) 墨子沙龍

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編輯：藏癡