两千多年前，墨子在《经说下》中写下“光之人，煦若射。”这一句，并意识到“光沿直线流传”这一征象。两千多年后，2016 年 8 月16 日，以“墨子”定名的量子科学实验卫星“墨子号”升空，将利用“光”继续誊写人类
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两千多年前，墨子在《经说下》中写下“光之人，煦若射。”这一句，并意识到“光沿直线流传”这一征象。 两千多年后，2016 年 8 月16 日，以“墨子”定名的量子科学实验卫星“墨子号”升空，将利用“光”继续誊写人类信息传输的未来。 2016 年 8 月 16 日，中国发射全球首颗量子通讯卫星“墨子”号，图片来源：新华社 现在，设定利用寿命仅 2 年的“墨子号”，已经在轨道上运转 6 年时间，更是超额完成了不少拓展科研任务。 很多人大概看到“量子”两个字就满头迷惑，到底什么是量子？“墨子号”量子科学实验卫星进行了哪些工作？它又和“量子”有什么联系？别急，让我们一个一个了解它们的秘密。 什么是量子？ 在生活里，我们大概常常会听到“遇事不决，量子力学”这句话，也常常会看到如“量子速读”这种打着“量子”旗号的伪科学，那么“量子”具体是什么？ 这一题目实在不难懂白。我们生活中的一切物体，都有构成其自身的最小单元，比如构成“水”的最基本单元是“水分子”。光也是云云，我们从一根激光笔中射出一束光线，将这束光线进行细分，分到的最基本单元就是“光子”。我们把构成物质世界的最基本单元，就叫做“量子”。“墨子号”在进行实验时利用的“量子”，就是“光量子”，即“光子”。 “墨子号”都进行了哪些实验？ 在回答这个题目前，我们先来聊聊各人比较热衷的“网购”这件事。 在手机还没有被开发出扫指纹、刷脸验证之前，我们网购下单时总需要在屏幕上输入支付暗码，大概大部门人都考虑过一件事：万一我的暗码被人截获了怎么办？确实，不仅是我们的支付暗码，所有从 A 地到 B 地传送的通讯信息，都有大概在中途被截获、破解，造成我们的信息泄露。 现在大概有人就会想到，那么我们制作一个暗码本，把我们发出的支付暗码等信息先辈行加密，然后在接收时候利用同一个暗码本进行解密，这样不就可以完成信息加密了吗？原理是没错，但遗憾的是暗码本大概会被破译乃至直接被偷取，这样一来加密也就没有任何作用了。 那难道就没有完全安全的加密方法了吗？别急，不要忘了我们今天的主角——“墨子号”。 “墨子号”的诞生，一个重要的使命就是为了保障通讯安全。传统的暗码本不敷安全？不要紧，我们用量子技能天生一个“暗码本”，这个“暗码本”足够随机，而且一旦被第三方截获就会被通讯双方知晓。 作为量子科学实验卫星，“墨子号”有三个重要实验要完成：千公里级量子密钥（yuè）分发、千公里级星地双向量子胶葛分发，和千公里级地星量子隐形传态。在完成了这三大既定科学目的后，“墨子号”还开展了多项有重要意义的拓展实验，不停实现新的突破。 看到这些“量子”又要面前一黑了？别告急，它们实在并不难懂白，让我通过墨子号的这三大既定科学实验来讲给你听。 量子密钥分发是在做什么？ 它有什么用？ 刚才我们说到，为了保证真正的通讯安全，需要用到量子技能来制作“暗码本”。“墨子号”的量子密钥分发任务就是利用“墨子号”这颗卫星，通过从太空往地面发送一个个光子，来天生“暗码本”。 那么这一个个光子，是如何形成“暗码本”的呢？想了解这一题目，我们起首要学习一些关于光子的知识：
光子偏振的几种形式，每个光子的偏振夹角为 180°，以是漫画中 135° 光子偏振固然为“↖”，但实在和“↘”是等价的。图片来自墨子沙龙。
假如你还是晕晕的，那下面这个表格会让你更清晰一些： 了解了这些规则后，我们就可以开始动手发送光子、进而制作“暗码本”这件事了，步调如下：
这是一项充满了“随机”的工作。 我们也看到了，接收者假如利用了“+”对“↗”进行观测，便会获得两种效果，即：对光子进行观测后，会使光子的偏振发生改变。这样，中途假如有圈外人对光子进行截获，那么一旦利用了“错误”的观测方式，就会让光子的偏振产生改变。从而接收者和观察者通过“对答案”（这次是交换部门初始“暗码本”）就能发现题目，舍弃这次天生的“暗码本”。 云云一来，获得的“0100”这串暗码，就是双方天生的一次性量子“暗码本”。 以上，便是“墨子号”所进行的量子密钥分发这项实验所利用的方法之一。这种方法名为 BB84 协议，是 1984 年，查理斯·本内特（Charles Bennett）和吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）所提出的一种方法。这种方法可以有用发现通讯中出现的窃听情况，从而立即关闭通讯，并重新进行新的量子密钥分发。 由布拉萨德和本奈特提出的 BB84 协议。图片来自墨子沙龙。 2017 年 8 月，升空一年后的“墨子号”在国际上初次成功实现千公里级星地量子密钥分发实验。后来，“墨子号”还基于另一种量子密钥分发协议 E91 实现了无中继千公里级的量子保密通讯。这为后续构建覆盖全球的量子保密通讯网络奠定了可靠的技能基础。 量子到底在“胶葛”什么？ 量子胶葛分发又是在做什么？ 提到“胶葛”你会想到什么？两个人之间的息息相通？情侣之间的心有灵犀？没错，在两个量子之间也存在 “心有灵犀”，科学家把量子之间的这种“心有灵犀”式的联系，称为“量子胶葛”。 两个存在量子胶葛的光子，图片来自墨子沙龙 在量子力学中有这样一个秘密的名词：叠加态，即对于一个量子，在没有观测它的时候，它大概是两种状态的叠加；而一旦对叠加态的量子进行观测，量子叠加态就会坍缩成其中一个状态。引用一个经典例子就是薛定谔那只既“死”又“活”的猫，被关在密闭容器里的猫身上叠加着“死”和“活”两种状态，这便是猫的“叠加态”；而我们一旦打开盒子，猫的叠加态就会坍缩，我们就可以知道猫到底是“死”是“活”。 而量子胶葛，是两个量子的组合的某种奇特的叠加态，它们之间“冥冥中自有定命”——一旦其中一个量子被观测，另一个量子的状态也会立即被知晓。再次用猫咪举例便是：我有两只被关在密闭盒子里的猫，它们都处在“生”或“死”的叠加态，而且它们是“胶葛”在一起的，即假如我打开一个盒子，看到了一只叠加态坍缩为“死”的猫，那么别的一个盒子里的猫的叠加态也会坍缩，而且肯定坍缩为“生”。 这种量子胶葛是不受间隔限制的，是“非定域性”的。即便是一只猫在地球上，另一只猫在宇宙的另一角，这种奇特的联系仍然会瞬时发生。爱因斯坦将这种跨越空间的量子胶葛征象称为“鬼魅的超距作用”，他对此感到忧心忡忡，转而提出“定域隐变量理论”来表明这种神奇的联系。 为了验证孰对孰错，物理学家贝尔提出了一个不等式和一个实验方法，假如实验效果符合不等式，那么就支持爱因斯坦的“定域性”理论；假如实验效果违背了不等式，则驳倒了爱因斯坦的“定域性”理论。 惋惜，实验效果并没有站在爱因斯坦这边，量子力学中的这种“鬼魅的超距作用”是真实存在的，量子胶葛确实是“非定域性”的。实验是检验真理的唯一标准，真理来自于精密的实验效果，即便提出反对的是爱因斯坦。 实验效果表明，这次爱因斯坦错了。图片来自墨子沙龙 直至今日，很多科学家仍然在进行着贝尔提出的这个量子胶葛实验：将两个胶葛态量子放在足够远的间隔，随后进行观测，看看得出的观测效果是否符合贝尔不等式。同样，我国也在云南丽江和青海德令哈两个地面站之间进行了量子胶葛实验，并且是全世界最远——相距 1200 千米的量子胶葛实验。 “墨子号”的作用，就是在太空中向这两个地面站发射一对胶葛的量子。这个实验的成功，为未来我国基于量子胶葛的量子保密通讯打下了基础。2020 年，墨子号实现了基于胶葛的千公里级量子保密通讯。 通过“墨子号”卫星进行量子胶葛分发，来验证贝尔不等式。图片来自墨子沙龙。 量子隐形传态是什么？ 可以实现长途物质传输吗？ 在回答这个题目前，我们先来看一个异地恋小故事： 在这个例子里，我们可以将 A 和 B 作为两个胶葛的量子，C 和 D 分别为 A 和 B 所在位置的科学家，而 X 则是未知量子态，科学家盼望通过“量子隐形传态”的方式将这一未知量子态传送到B上。 整个传输过程中，量子 X 自己并没有被传送 ，而是 X 的状态被传送到了B上——正如异地恋例子里 X 善良的状态传给了 B，从而让 B 的状态也从“恶毒”酿成了“和睦”。 这便是“量子隐形传态”。不外要注意的是，在“量子隐形传态”时，A 和 B 的胶葛消失，和 A 和 X 产生新的胶葛，几乎是同时发生的。 你会发现，在“量子隐形传态”中，只是把量子 X 的状态进行了传输，而粒子自己并没有被传送。这和科幻作品中的物质长途传送有很大区别，想将物体通过量子技能从 A 地传送到 B 地，现在来看还不实际。 “墨子号”到底能为我们做什么？ 假如你看到这里，那么恭喜你，你已经基本了解了“墨子号”量子科学实验卫星所承载的三项重要科学实验是什么了。不外这时你大概会问：这三个实验，对我又会有什么影响呢？ 每一个新理论的发现和新技能的实现，从根本上都代表着人类对未知世界迈出新的一步。“墨子号”是我国最先辈的量子通讯技能结晶，在国际上也是领先水平。量子通讯技能已经开始出现在民用和商用领域，在未来，更加成熟的量子通讯技能将会更广泛地应用在通讯、金融、国防等诸多方面。 作者：科普中国 × 墨子沙龙 转载内容仅代表作者观点 不代表中科院物理所态度 如需转载请联系原公众号 来源：科普中国 编辑：藏痴 |
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