兩千多年前，墨子在《經(jīng)說(shuō)下》中寫(xiě)下 " 光之人，煦若射。" 這一句，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。

重點(diǎn)一

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，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 "。" 墨子號(hào) " 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的 " 量子 "，就是 " 光量子 "，即 " 光子 "。

重點(diǎn)二

" 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)。

重點(diǎn)三

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：

首先，發(fā)送者會(huì)隨機(jī)生成一串比特密碼，比如是：01001011；

隨機(jī)選擇一種觀測(cè)形式（"+" 或 "×"）；

根據(jù)隨機(jī)產(chǎn)生的比特以及觀測(cè)形式，來(lái)制備一個(gè)偏振光子，例如：當(dāng)隨機(jī)產(chǎn)生的比特是 0，觀測(cè)方式是 "+" 時(shí)，就制備出 ↑ 偏振的光子；當(dāng)隨機(jī)產(chǎn)生的比特是 1，觀測(cè)方式是 "×" 時(shí)，就制備出 ↘ 偏振的光子；

然后將光子發(fā)送給接收者；

接收者接收到這些光子后，再隨機(jī)選擇一個(gè)觀測(cè)形式 "+" 或 "×" 對(duì)接收到的光子進(jìn)行觀測(cè)，獲得觀測(cè)結(jié)果。

最后，發(fā)送者和接受者再打個(gè)電話溝通一下他們各自的觀測(cè)方式，將相同觀測(cè)方式時(shí)的結(jié)果保留下來(lái)，其他的舍棄，就可以獲得一個(gè)完全隨機(jī)產(chǎn)生的、安全的初始 " 密碼本 " 了。

這是一項(xiàng)充滿了 " 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)。

重點(diǎn)四

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)人之間的心心相印？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)诘厍蛏希硪恢回堅(jiān)谟钪娴牧硪唤牵@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)象稱為 " 鬼魅的超距作用 "，他對(duì)此感到憂心忡忡，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。

重點(diǎn)五

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：

有一對(duì)情侶 A 和 B，其中 B 比較惡毒，但雙方依然進(jìn)行著異地戀，相互 " 糾纏 "。同時(shí)，他們有兩個(gè)共同的朋友 C 和 D，分別在兩地觀察著 A 和 B。

有一天，A 遇到了 X，X 不像 B 那么惡毒，很友善，于是 A 和 B 斷絕 " 糾纏 "，和 X 在一起，開(kāi)始一種新的 " 糾纏 "。

此時(shí)朋友 C 觀察到了這一事件，拍了照片告訴了朋友 D，D 看了照片之后，對(duì) B 進(jìn)行了一些友誼上的教育，B 被教育后幡然醒悟，棄惡從善，從此也變成像 X 一樣變成了一個(gè)善良的人。

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)。

重點(diǎn)六

" 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。