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”继续书写人类信息传输的将来。
2016 年 8 月 16 日，中国发射全球首颗量子通讯卫星“墨子”号，图片泉源：新华社
如今，设定使用寿命仅 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。
许多人大概看到“量子”两个字就满头疑惑，到底什么是量子？“墨子号”量子科学实验卫星举行了哪些工作？它又和“量子”有什么接洽？别急，让我们一个一个相识它们的秘密。
重点一
什么是量子？
在生活里，我们大概经常会听到“遇事不决，量子力学”这句话，也经常会看到如“量子速读”这种打着“量子”旗号的伪科学，那么“量子”详细是什么？
这一题目其实不难明白。我们生活中的统统物体，都有构成其自身的最小单位，好比构成“水”的最根本单位是“水分子”。光也是如此，我们从一根激光笔中射出一束光线，将这束光线举行细分，分到的最根本单位就是“光子”。我们把构成物质世界的最根本单位，就叫做“量子”。“墨子号”在举行实验时使用的“量子”，就是“光量子”，即“光子”。
重点二
“墨子号”都举行了哪些实验？
在答复这个题目前，我们先来聊聊各人比力热衷的“网购”这件事。
在手机还没有被开发出扫指纹、刷脸验证之前，我们网购下单时总须要在屏幕上输入付出暗码，大概大部分人都思量过一件事：万一我的暗码被人截获了怎么办？确实，不但是我们的付出暗码，全部从 A 地到 B 地传送的通讯信息，都有大概在中途被截获、破解，造成我们的信息泄漏。
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此刻大概有人就会想到，那么我们制作一个暗码本，把我们发出的付出暗码等信息先辈行加密，然后在吸取时候利用同一个暗码本举行解密，如许不就可以完成信息加密了吗？道理是没错，但遗憾的是暗码本大概会被破译乃至直接被盗取，如许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，不要忘了我们本日的主角——“墨子号”。
“墨子号”的诞生，一个重要的任务就是为了保障通讯安全。传统的暗码本不敷安全？没关系，我们用量子技能生成一个“暗码本”，这个“暗码本”充足随机，而且一旦被第三方截获就会被通讯两边知晓。
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纠缠分发，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”又要眼前一黑了？别紧张，它们其实并不难明白，让我通过墨子号的这三大既定科学实验来讲给你听。
重点三
量子密钥分发是在做什么？
它有什么用？
刚才我们说到，为了包管真正的通讯安全，须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，来生成“暗码本”。
那么这一个个光子，是怎样形成“暗码本”的呢？想相识这一题目，我们首先要学习一些关于光子的知识：
- 偏振：光子可以在某个方向上振动，叫做“偏振”，光子的偏振根据角度差别可以分为多种，但在这里我们只须要相识其中四种方向：↑ 和 →（即偏振角度 0° 和 90°）、↗ 和 ↘（即偏振角度 45° 和 135°）；
图片来自墨子沙龙。
光子偏振的几种形式，每个光子的偏振夹角为 180°，所以漫画中 135° 光子偏振固然为“↖”，但其实和“↘”是等价的。
- 观测：在吸取光子时，会利用一副“特制墨镜”对这些光子举行观测。这副墨镜正着摆放的时候，形态像“+”一样，可以允许 ↑ 和 → 偏振的光子通过；倾斜摆放的时候，形态就像“×”，可以允许 ↗ 和 ↘ 偏振的光子通过；
- 比特：科学家规定，用“+”观测后，获得 ↑ 偏振的光子则代表比特“0”，获得 → 偏振的光子则代表比特“1”；同样，用“×”观测后，获得 ↗ 偏振的光子则代表比特“0”，获得 ↘ 偏振的光子则代表比特“1”；
- 不确定性：但是，光子比力特殊。即便是 ↑ 和 → 偏振的光子，也可以通过倾斜摆放的“×”墨镜（↗ 和 ↘ 也同样可以通过“+”）。好比，硬挤进 “×” 的 ↑ 偏振的光子 ，出来后就会变成 ↗ 或 ↘，但详细是哪个？别问，概率都是 50%，详细不清楚。
如果你还是晕晕的，那下面这个表格会让你更清晰一些：
相识了这些规则后，我们就可以开始动手发送光子、进而制作“暗码本”这件事了，步骤如下：
- 首先，发送者会随机生成一串比特暗码，好比是：01001011；
- 随机选择一种观测形式（“+”或“×”）；
- 根据随机产生的比特以及观测形式，来制备一个偏振光子，比方：当随机产生的比特是 0，观测方式是“+”时，就制备出 ↑ 偏振的光子；当随机产生的比特是 1，观测方式是“×”时，就制备出 ↘ 偏振的光子；
- 然后将光子发送给吸取者；
- 吸取者吸取到这些光子后，再随机选择一个观测形式“+”或“×”对吸取到的光子举行观测，获得观测结果。
- 末了，发送者和担当者再打个电话沟通一下他们各自的观测方式，将相同观测方式时的结果保留下来，其他的舍弃，就可以获得一个完全随机产生的、安全的初始“暗码本”了。
这是一项充满了“随机”的工作。
我们也看到了，吸取者如果使用了“+”对“↗”举行观测，便会获得两种结果，即：对光子举行观测后，会使光子的偏振发生改变。如许，中途如果有圈外人对光子举行截获，那么一旦使用了“错误”的观测方式，就会让光子的偏振产生改变。从而吸取者和观察者通过“对答案”（这次是交流部分初始“暗码本”）就能发现题目，舍弃这次生成的“暗码本”。
如此一来，获得的“0100”这串暗码，就是两边生成的一次性量子“暗码本”。
以上，便是“墨子号”所举行的量子密钥分发这项实验所使用的方法之一。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。这种方法可以有效发现通讯中出现的窃听环境，从而立即关闭通讯，并重新举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”在国际上首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。
重点四
量子到底在“纠缠”什么？
量子纠缠分发又是在做什么？
提到“纠缠”你会想到什么？两个人之间的心心相印？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”式的接洽，称为“量子纠缠”。
两个存在量子纠缠的光子，图片来自墨子沙龙
在量子力学中有如许一个秘密的名词：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举行观测，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”。
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而量子纠缠，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“纠缠”在一起的，即如果我打开一个盒子，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，而且一定坍缩为“生”。
这种量子纠缠是不受距离限制的，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，这种奇特的接洽仍然会瞬时发生。爱因斯坦将这种跨越空间的量子纠缠征象称为“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”来解释这种神奇的接洽。
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，如果实验结果符合不等式，那么就支持爱因斯坦的“定域性”理论；如果实验结果违背了不等式，则驳倒了爱因斯坦的“定域性”理论。
可惜，实验结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，量子纠缠确实是“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结果，即便提出反对的是爱因斯坦。
实验结果表明，这次爱因斯坦错了。图片来自墨子沙龙
直至本日，许多科学家仍然在举行着贝尔提出的这个量子纠缠实验：将两个纠缠态量子放在充足远的距离，随后举行观测，看看得出的观测结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举行了量子纠缠实验，并且是全世界最远——相距 1200 千米的量子纠缠实验。
“墨子号”的作用，就是在太空中向这两个地面站发射一对纠缠的量子。这个实验的成功，为将来我国基于量子纠缠的量子保密通讯打下了基础。2020 年，墨子号实现了基于纠缠的千公里级量子保密通讯。
通过“墨子号”卫星举行量子纠缠分发，来验证贝尔不等式。图片来自墨子沙龙。
重点五
量子隐形传态是什么？
可以实现远程物质传输吗？
在答复这个题目前，我们先来看一个异地恋小故事：
有一对情侣 A 和 B，其中 B 比力恶毒，但两边依然举行着异地恋，相互“纠缠”。同时，他们有两个共同的朋友 C 和 D，分别在两地观察着 A 和 B。
有一天，A 碰到了 X，X 不像 B 那么恶毒，很和睦，于是 A和 B 断绝“纠缠”，和 X 在一起，开始一种新的“纠缠”。
此时朋友 C 观察到了这一事件，拍了照片告诉了朋友 D，D 看了照片之后，对 B 举行了一些交情上的教育，B 被教育后幡然觉醒，弃恶从善，今后也变成像 X 一样变成了一个善良的人。
在这个例子里，我们可以将 A 和 B 作为两个纠缠的量子，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，科学家希望通过“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 本身并没有被传送 ，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”变成了“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 的纠缠消散，和 A 和 X 产生新的纠缠，险些是同时发生的。
你会发现，在“量子隐形传态”中，只是把量子 X 的状态举行了传输，而粒子本身并没有被传送。这和科幻作品中的物质远程传送有很大区别，想将物体通过量子技能从 A 地传送到 B 地，现在来看还不现实。
重点六
“墨子号”到底能为我们做什么？
如果你看到这里，那么恭喜你，你已经根本相识了“墨子号”量子科学实验卫星所承载的三项主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，在国际上也是领先程度。量子通讯技能已经开始出现在民用和商用范畴，在将来，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
本文由科普中国与墨子沙龙联合出品。
本文题图来自 Science。
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