文／非是藉秋風(fēng)
2016年8月16日凌晨，我國成功發(fā)射了世界第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”。這是一件具有重大里程碑意義的社會事件和科學(xué)事件。
翻看網(wǎng)頁和電視報道，沒有一個能令我非常滿意的科普介紹，要么過于簡略，誤使人以為“懂了”，要么過于嚴謹?shù)拿枋?，使人“望而生畏”。在這種情況下，有必要對“量子通訊”衛(wèi)星整件事做一個通俗而又不失真的“素描”。
如同用寥寥數(shù)筆勾勒人物形象，讓人們一眼看去就是“某某某”，但是“某某某”有幾條皺紋，有幾顆痣，我們暫時先不關(guān)心。
下面首先解釋這顆“量子通訊”衛(wèi)星為什么被命名為“墨子”號。
首先對“墨子”做簡要介紹。
墨子名翟，是諸子百家中涉及自然科學(xué)研究最多的先賢，“墨家”的創(chuàng)始人。
發(fā)射的世界首顆“量子通訊衛(wèi)星”以“墨子”命名最主要的原因是：墨子早在兩千年前就對傳播信息的介質(zhì)“光”和“聲音”進行了研究。
墨子第一個進行了著名的小孔成像實驗，對平面鏡、凹面鏡、凸面鏡等進行了相當系統(tǒng)的研究，得出了幾何光學(xué)的一系列基本原理。還對聲音的傳播進行過研究。
此外，墨子還給出了“力”的定義，對杠桿定理、斜面、重心、滾動摩擦等力學(xué)問題進行了一系列的研究，在機械制造方面也有很深的造詣。
所以這顆利用量子進行“通訊”的衛(wèi)星以“墨子”命名，非常具有針對性和紀念意義。
接下來介紹“量子通訊”。
人類的通訊史在不斷的演進，通訊方式和通訊媒介都在發(fā)生變化。通訊方式從兩個罐頭加一根繩子開始，雞毛信，電報、電話、撥號盤電話、按鍵電話、手機、短信、微信，當然，今天迎來了全新的“量子通訊”。通訊媒介從固體、空氣、電纜、光纖，到今天的“量子”。
下面首先介紹“量子”，再介紹量子為什么能通訊，以及怎么利用量子進行通訊，以及用量子進行通訊的最大優(yōu)點。
通訊介質(zhì)之所以不斷的變化，是因為新的通訊的媒介有更加新奇的性質(zhì)，更加強大的傳播訊息的能力。
下面先說三個東西：“量子”是什么東西？具有什么新奇的性質(zhì)？為什么可以用來傳播訊息？
簡單的說，量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，能量的最基本攜帶者 ，不可分割。這種說法看似簡單，卻不通俗。所以要多聊一下。人們最早認識到“量子”，并且提出這個概念是被逼無奈。
被逼無奈的意思就是不想承認都得承認。被誰逼的？當然是一次又一次確鑿無疑的實驗結(jié)果。有一句話叫做：實驗可以推翻理論，理論永遠無法推翻實驗。既然實驗沒有問題，那就只能從人們理解世界的圖像、模型和理論上找問題了。
在1900年之前，人們認為各種“物理量”，比如，長度、能量、等可以無限細分，是“連續(xù)”存在的，沒有最小的。在這里提醒一下，這種世界觀雖然是憑經(jīng)驗的，但是，不可否認它的確可以解釋1900年之前絕大部分的實驗結(jié)果，建立在這種世界觀基礎(chǔ)上的大部分的理論計算值都能與實驗值很好的吻合。
1900年之前的世界觀一個典型代表就是“牛頓力學(xué)”。以至于有一次美國的航天飛機在返回地面的過程中，地面控制室問航天飛機的駕駛艙：現(xiàn)在是誰在駕駛？航天人員開玩笑的說：是牛頓。
隨著物理學(xué)研究疆域、深度和精度的不斷拓展，人們發(fā)現(xiàn)很多物理現(xiàn)象完全無法用已有的理論來解釋了。
19世紀的最后一天，英國著名物理學(xué)家開爾文勛爵發(fā)表了新年祝詞，他非常自信的宣布：物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。當然，他也很謹慎地講道：物理學(xué)大廈的美麗而晴朗的天空卻飄來了兩朵烏云。
第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動理論上，主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結(jié)果和以太漂移說相矛盾。第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上，主要是指黑體輻射實驗。
先說明一下，對第一朵烏云的研究導(dǎo)致了“狹義相對論”的誕生。對第二朵烏云的研究導(dǎo)致了“量子力學(xué)”的誕生。誕生的兩大理論直接導(dǎo)致了全體人類對世界從根本上的重新認識，現(xiàn)在回過頭來想一下，開爾文勛爵指的宏偉的物理學(xué)大廈用茅草屋來形容可能更妥當。所以在面對“這個世界到底是個什么樣子”的問題時，人類最好永遠都不要驕傲。
在理論不能解釋實驗結(jié)果的日日夜夜里，物理學(xué)家寢食難安，使出渾身解數(shù)來調(diào)和理論與實驗之間的裂痕，經(jīng)過很長一段時間的摸索和碰壁，在走投無路的情況下，極其不情愿的去嘗試改變“連續(xù)”的世界觀圖像，即，做出“世界是不連續(xù)”的假設(shè)：世界是一份一份的。這一份一份就是大名鼎鼎的“量子”。
1900年，德國物理學(xué)家M·普朗克大膽提出“量子”假設(shè)，即能量不能無限分，世界上有最小的能量單位，能量不連續(xù)，能很好的解釋“黑體輻射”的實驗結(jié)果。后來，1905年，愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，提出“光量子”（光子）的概念，很好的解釋了大名鼎鼎的“光電效應(yīng)”。
把世界假設(shè)為“一份一份”的，結(jié)果，居然成功了?！俺晒Α钡囊馑际牵豪碚撚嬎阒稻尤慌c實驗結(jié)果吻合。所以沒辦法，只好承認。
細想一下，“世界是連續(xù)的”其實也是憑經(jīng)驗的假設(shè)，因為這個模型能解釋之前所涉及的實驗，之所以沒有人懷疑過，是因為這種模型非常符合人們的感官感受，人們理解起來很自然。
勝者為王，敗者為寇，既然不連續(xù)能精確的解釋并且預(yù)言實驗結(jié)果，那么之前的假設(shè)就是錯的，“世界是不連續(xù)”這種圖像是人們必須所承認的圖像。不過很遺憾，這與人們的感覺感受沖突很大。在接下來的幾十年里，雖然“量子力學(xué)”一路高歌，統(tǒng)治了整個世界，但是直到現(xiàn)在，關(guān)于“量子力學(xué)”的感性的圖像，始終沒有能在人類的大腦中建立起來。
比如，電子的“雙縫衍射”實驗，電子到底是怎么通過雙縫的？沒人能夠說的清楚，有人說是物質(zhì)波的干涉之后探測時波函數(shù)的“塌縮”，說出這種話，說明已經(jīng)到人類智慧的極限了。
其實，不懂量子力學(xué)是一個正常人類應(yīng)該有的反應(yīng)。諾貝爾物理學(xué)獎得主費曼說：“我想我可以有把握地講，沒有人懂量子力學(xué)！” 量子論的創(chuàng)始人玻爾也說過：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！奔热贿B費曼和玻爾都這樣說，所以，我們真不敢說“理解”了量子力學(xué)。
不理解，但是不妨礙我們“使用”量子力學(xué)。一個物理學(xué)家對其學(xué)生說了如何面對量子力學(xué)的一句名言：“閉嘴，計算！”所以，理論與實驗吻合才是“王道”。
量子理論是迄今為止最精確地被實驗檢驗了的理論。舉個“蘭姆移位”例子。
在1947年，蘭姆等人用射頻波譜的方法發(fā)現(xiàn)氫原子的前人所認為重合的兩個能級并不是完美的重合，而是存在著一個很小的能級差，
實驗值：0.001159652188（4）。
理論值是0.001159652133（29），
誤差發(fā)生在小數(shù)點后面第11位！
實驗的精度達到百億分之一，蘭姆移位實驗，直接促使了量子電動力學(xué)的誕生。
在上面的介紹中引出了“量子”的概念，雖然沒人能真正理解，但是可以放心大膽的使用。
“量子”可以用來“通訊”，說明量子可以“傳遞訊息”，一個重要的問題是：“量子”是怎么做到能傳播訊息的？
一切都與“量子”表現(xiàn)出來的“奇妙”性質(zhì)與現(xiàn)象有關(guān)。
首先介紹量子最重要的性質(zhì)：“疊加態(tài)”。
從日常經(jīng)驗來說，一個物體在某一時刻，一定處于唯一的一個狀態(tài)。比如我說：我現(xiàn)在“在三明”，或是說：我現(xiàn)在“不在三明”。在某一時刻，我要么“在三明”，要么“不在三明”，必居其一。
然而，在量子世界中，情況截然不同。量子可以處于一種所謂“疊加態(tài)”的狀態(tài)中。例如，量子可以同時位于兩個不同的地點。也就是說，電子可以既“在三明”，又“不在三明”?！霸谌鳌焙汀安辉谌鳌眱煞N狀態(tài)按一定幾率的疊加。電子的這種狀態(tài)叫做“疊加態(tài)”。
如果有人問：量子為什么可以這樣？我的回答是：不要問為什么，世界本來如此。
“疊加態(tài)”的存在，是“量子”最大的奧秘，是量子所有現(xiàn)象神秘感的根源，是我們了解量子力學(xué)的關(guān)鍵。
介紹了量子“疊加態(tài)”，再來介紹一只貓來加深一下印象，這只貓很特殊，叫做“薛定諤貓”。薛定諤是量子力學(xué)的奠基人之一，提出了薛定諤方程，這個是量子世界的最最基本的方程。
“薛定諤的貓”如下：
把一只貓放進一個封閉的盒子里，這里的“封閉”主要是指人看不到。這個盒子里面除了貓之外，還有一個原子核和毒氣設(shè)施。這個原子核有一定的可能性發(fā)生衰變。衰變時發(fā)射出一個粒子，這個粒子將會觸發(fā)毒氣設(shè)施，確定無疑地將貓殺死。
未進行觀察時，這個原子核處于“已衰變”和“未衰變”的疊加態(tài)，因此，貓就應(yīng)該相應(yīng)地處于“死”和“活”的疊加態(tài)。老實說，這種狀態(tài)人類不能理解，但是確實處于這種狀態(tài)。
下面由量子的“疊加態(tài)”再引申出來量子的“糾纏態(tài)”：
還是以上面薛定諤貓為例。
在人類未觀察盒子的時候，整個系統(tǒng)的狀態(tài)可以表示為：
整個系統(tǒng)的狀態(tài)=原子核衰變*貓死+原子核未衰變*貓活
“*”代表“并且”，“+”代表“疊加”
這種“原子核”與“貓”的關(guān)聯(lián)狀態(tài)就是量子“糾纏態(tài)”。
這種狀態(tài)最大的特點是：打開盒子的一瞬間，疊加的兩個狀態(tài)，一個狀態(tài)被確定，一個消失。
所以，設(shè)想一下，如果兩個粒子A和B如果處于糾纏狀態(tài)，不管被分開多遠，對其中一個粒子施加作用，那么另外一個粒子“瞬間”會發(fā)生變化。這個就是愛因斯坦所說的“幽靈般的超距離互動”，這也是“量子”為什么能傳播訊息的基礎(chǔ)。
不管被分開多遠，都能發(fā)生“糾纏”，這只是從理論上講的話，這次發(fā)射的衛(wèi)星其中目的之一的就是檢驗在目前實驗條件下，實際發(fā)生“糾纏”的物理極限距離。
為了多理解一下這種“幽靈般的超距離互動”，再舉一個例子也是值得的。
以雙粒子為例，粒子A可以處于“福建省三明市”，也可以處于“福建省福州市”，粒子B也是這樣。單個粒子可以用一個量子比特來表示：
? ?粒子A單獨存在的疊加態(tài)：
A=A三明+A福州 。
A表示A粒子單獨存在時的“疊加態(tài)”，“A三明”表示A粒子在三明，“A福州”表示A粒子在福州。B粒子也類似。
? ?粒子B單獨存在的疊加態(tài)：
B=B三明+B福州。
當兩個粒子發(fā)生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態(tài)AB，例如：
AB=A三明B福州 +A福州B三明
這樣的疊加態(tài)AB就是一個糾纏態(tài)AB：當A粒子處于三明時，B粒子一定處于福州；反之，當A粒子處于福州時，B粒子一定處于三明。
愛因斯坦所說的“幽靈般的超距離互動”應(yīng)該怎么理解？我稍微說的詳細一點。
就像“心靈感應(yīng)”一樣，這兩粒子無論相距多遠，結(jié)果始終一樣。那么用上面A和B兩個粒子來說，用通俗的話來說，A粒子在三明和福州有兩個“分身”，B也有三明和福州兩個“分身”。
接下來，如果對A進行了測量，那么A有個分身會消失，那么B分身會怎么樣呢？B的分身也會消失。比如A在三明的分身消失了，只留下福州的分身，那A就知道，而且必然會發(fā)生的事情，就是B在福州的分身也會消失，只留下三明的分身，這就是量子糾纏。
介紹糾纏之后，再講一下“三個世紀，三個‘E’”的故事：19世紀開始進入了能量（Energy）的世紀，大規(guī)模的開發(fā)地球上的能源，化石能源得到了極大的開發(fā)。20世紀開始進入了熵（Entropy）的世紀，信息技術(shù)，計算機等得到了極大的發(fā)展，摩爾定律，香農(nóng)定律等得到了極大的應(yīng)用。進入21世紀開始進入糾纏（Entangle）的世紀，量子糾纏不僅在基礎(chǔ)研究更在實際應(yīng)用得到了極大的發(fā)展。當然，三個E的世紀并不是孤立發(fā)展的，而是并行交叉的發(fā)展。
再介紹什么是“量子隱形傳輸”。
還以上面A粒子和B粒子為例，如果我們想把三明的量子傳送到福州，那怎么辦呢？
先在三明和福州之間建立這樣的糾纏，然后我通過對兩地的粒子，做一些特殊的操作，那么在三明的量子就會消失出現(xiàn)在福州。這就是“量子隱形傳輸”。首先申明，量子的“隱形傳輸”必須要傳統(tǒng)的方式配合，比如電話、傳真等等。
具體操作如下：
我在“三明”，朋友在“福州”。
我想要把量子X傳給朋友。要完成這一過程，需要利用處于糾纏狀態(tài)的粒子A和粒子B。粒子A在我這里，而朋友擁有粒子B。
首先，我對需要傳送的X和A作“貝爾測量”。測量后，X的量子態(tài)“塌縮”，同時，A也發(fā)生了變化。
所謂的“貝爾測量”是一種糾纏的轉(zhuǎn)移，信息通過糾纏轉(zhuǎn)移而傳輸。
當我在三明對X和A做“貝爾測量”之后X、A、B三粒子之間，已經(jīng)完成了“糾纏轉(zhuǎn)移”：原來不糾纏的X和A糾纏起來，光子X原來量子態(tài)的大部分信息，已經(jīng)轉(zhuǎn)移到B。因為A和B互相糾纏，A的變化立即影響B(tài)也發(fā)生變化。然而，在福州的朋友無法察覺B的變化，直到我在電話里把信息告訴朋友。然后，朋友對B進行相應(yīng)的變換處理。最后，B成為和X一模一樣的狀態(tài)。
到此，原來的X的所有信息都轉(zhuǎn)移到了朋友所擁有的粒子B上。而實際上，我和朋友從始至終都對X上的這些信息一無所知，我們唯一所知道的只是：最后，X和A成為糾纏單態(tài)，朋友的粒子B有了X的所有性質(zhì)，隱形傳態(tài)完成。
再舉一個用“傳真機”傳送照片的例子來說明。
在“傳統(tǒng)”的世界中，傳送一張照片X
首先，我將照片X進行掃描，得到需要傳輸?shù)膱D像信息。然后，從互聯(lián)網(wǎng)傳給朋友。朋友收到圖像后，用另外一張紙B將圖像打印出來。
在這種傳遞過程中，傳送的只是X的一部分信息，照片X的材料、顏色、大小、厚度等信息并不能從掃描過程得到，也沒有被傳遞過去。況且，即使是朋友知道了這些性質(zhì)，造出一張表面看起來完全一樣的紙來打印圖像，后來的B也不能說是和原來的X一模一樣的。
但是，在量子隱形傳輸中，最后的B可以做到和X完全一樣。量子隱形傳輸從得到實體的完整信息，而復(fù)制出了X本身，盡管只是一個小小的量子態(tài)。有人可能會說：“遠距離傳物的時代就要來臨了！”
至此，我必須交代兩點：
第一、在這個過程中，傳送的只是粒子的“狀態(tài)信息”，而不是粒子“實體本身。這可能會使很多人失望。
第二、未知量子態(tài)的傳送，需要傳統(tǒng)方式的配合，傳送速度不可能超過光速——不違背相對論原理。這可能會使更多的人失望。
但是下面馬上介紹的“量子通訊”最大的優(yōu)點：“絕度的保密性和安全性”，會重振大家的希望。
上面就是“量子通訊”的基礎(chǔ)。下面介紹為什么發(fā)射“量子通訊”相關(guān)的“衛(wèi)星”。
其實發(fā)射衛(wèi)星只是整個“量子通訊”的一個環(huán)節(jié)。實現(xiàn)“量子通訊”，特別是實現(xiàn)遠距離“量子通訊”的基本的路線圖如下：
先利用光纖在城市內(nèi)實現(xiàn)城市內(nèi)的量子通訊網(wǎng)絡(luò)。比如，我國北京到上海的京滬干線就是這樣的網(wǎng)絡(luò)，任意兩點之間都能傳遞保密的信息。然后，在超遠距離，光纖沒有那么容易鋪過去，通過衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)遠距離的量子通訊。剛剛發(fā)射的量子通訊衛(wèi)星就是中轉(zhuǎn)站，最終建成天地一體化的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。
細心的人可能會發(fā)現(xiàn)還沒有介紹“保密”二字。
量子通訊技術(shù)一個極其重要的優(yōu)點在于讓信息傳輸過程的高保密性。而且真正做到了“絕對”的安全。
怎么做到的？
上面提到過“量子”的疊加態(tài)，即“分身術(shù)”。
舉個例子，我現(xiàn)在人在三明，我想把一條信息傳送給福州的一個朋友，怎么辦？我先把信息鎖在一個箱子里，我先給朋友傳一把鑰匙，再給傳箱子，朋友有這把鑰匙，就可以把箱子打開，讀到里面的內(nèi)容，
完全保密的關(guān)鍵步驟在于：用“量子”的方式首先傳送這個鑰匙。
根據(jù)量子的“疊加態(tài)”原理，鑰匙有很多的分身，如果有人想截獲這把鑰匙，根本沒有可能得到傳播的信息。因為，他一旦對鑰匙進行了測量，其他的分身就會消失了。我們會立即知道。那我們就把這把鑰匙廢掉，我再給朋友一把。
故事講到這里，聰明的人就會問下面這個問題：
為什么非要“廢掉”被竊取的鑰匙呢？可不可以復(fù)制一把原先的鑰匙，再傳一次，然后把箱子傳過去再打開。
有一個定律告我們絕對不可以這樣。
這個定律叫做：“量子不可克隆原理”。簡單討論一下其中最核心的內(nèi)容：
量子的“疊加態(tài)”決定了量子態(tài)“不可復(fù)制”。在量子世界，假設(shè)有這么一個克隆機可以對量子進行克隆，那我們知道A就變成兩個AA，而B就變成BB，那么，如果我輸入了一個A+B的疊加態(tài)，那它就應(yīng)該是，AA+BB這樣的一個糾纏的形式。
但是，我所想要的是A+B和A+B，就這么簡單的一個公式，就限制了一個未知的量子態(tài)不能夠被克隆。
如果有人竊聽，我立即能夠發(fā)現(xiàn)，而竊聽的人又不能對它進行克隆，所以確保當朋友拿到了唯一的鑰匙之后，接下來我以很隨便一種方式把箱子交給朋友就行。
到這里，所有關(guān)于“量子通訊”的解釋都已完畢。誕生百年的量子理論的奇妙之處在于從未被理解，但是在實驗室里卻被不斷重復(fù)驗證和檢驗。這次，中國科學(xué)家率先向太空尺度的量子通訊發(fā)起挑戰(zhàn)。致敬！
———且待下回分解———
在下非是藉秋風(fēng)。
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