劃時代的墨子號和神秘的量子論，其實你也能搞懂

整整一年前，2016年8月16日，中國發射全球第一顆空間量子科學實驗衛星墨子號；今年1月18日，經過4個月在軌測試後，正式交付使用；就在前不久，6月16日，墨子號項目開發團隊宣布，實現上千公里空間尺度上的量子糾纏分發！

• 密碼學家認為，這是人類密碼史上最最重大的事件，它徹底終結了保密者與竊密者此前永無休止的遊戲，因為量子密碼不可竊聽、不可破解！
• 量子物理學家認為，這是打破愛因斯坦懷疑論：「量子間具有幽靈般的超距作用」——一次最好的科學實證與應用。
• 西方情報分析師認為，在量子通信領域，中國已經遙遙領先於其他任何國家，甚至已經開啟世界量子保密技術的太空競賽。

▲2017年6月15日《科學》雜誌以墨子號衛星為封面

• 全球核心科學期刊和重磅媒體也不吝溢美之辭，紛紛點贊??：①入選英國《自然》雜誌2016年度國際重大科學事件；②入選《科學美國人》雜誌2016年度「改變世界的十大創新技術」；③今年6月，入選全球權威學術期刊《科學》封面報道；④《華爾街日報》把它看作中國創新能力提升的重要標誌——「沉寂了一千年，中國誓回發明創新之巔」……

一顆600多公斤的衛星，為什麼能夠引起這麼大的影響力？這到底是怎麼一事兒？

先從神秘的墨子號衛星說起。為啥量子衛星叫墨子號？

當然是為了紀念戰國時代的墨家創始人墨子（墨翟）。

那麼，墨子跟量子又有啥關係？

量子，這個概念最早源自現代科學家對光的認識，而人類最早記載——對光進行研究、小孔成像實驗的就是墨子。儘管那時候沒有成型的物理學，但墨子卻驚人地提出：小孔成像等光學八條原理。以文明先賢命名科學衛星，當然是一種國際慣例。所以呢，用墨子來命名量子衛星，恰如其分。

墨子號量子科學實驗衛星為什麼那麼牛？

簡單來說，墨子號就是利用量子科學原理的一種新型通訊衛星，能夠提供前所未有的、無法被第三者破解的保密通訊系統。

這背後到底是啥科學原理？怎麼才能理解呢？

其實，我們只要稍微了解幾個關鍵人物、幾個概念就能懂。

先說什麼是量子？這詞來源於拉丁語quantum，本意是「有多少」，在物理學裡是指「不可分割的基本個體」。

由此引入了一系列概念——

• 能量量子，就是能量的最小份額；
• 光量子，就是光的最小單位，光就是由能量不連續的一個個光量子組成的；
• 量子化，就是能量可量子化，能量只能以最小份額的倍數變化；
• 量子力學，也就是量子物理，與相對論並存的、專門研究微觀尺度下的物理基本理論。

好了，現在讓我們先認識一下——量子力學的開山鼻祖。

就是這位具有很高音樂修養的德國物理學家馬克斯·普朗克，1900年石破驚天地發表了「能量量子化」的理論（量子論），從此誕生了這個量子小妖精。

為啥說人家量子是個小妖精呢？

因為普朗克打開了一個叫「量子世界」的潘多拉魔盒，蹦出來的妖精揮起第一棒，就把「量子力學之父」給打暈了。在經典物理看來，能量釋放都是連續的，而普朗克提出的量子論，卻是一份一份的。結果，就連他自己迷惑不解，甚至有些後悔。

不過，另一位大師幫他穩住了陣腳。1905年，愛因斯坦提出了「光量子假說」，完美解釋了這種困惑——因為光就是由能量不連續的一個個光量子組成的，能量只能一份份釋放。憑藉光量子理論，他還一併解決了著名的「光電效應」問題，還贏得了1921年諾獎。

但為什麼光量子是一份一份的呢？前兩位大師都沒有答案。

1913年，第三位大師出場了——丹麥物理學家尼爾斯·玻爾提出了「量子化的原子結構」，給出了清晰答案——因為電子軌道是量子化的，電子只能從一個能級躍遷到另一個能級（電子軌道），躍遷時吸收和釋放的能量當然不是連續的，只能是一份一份的。（什麼是躍遷？電子在軌道間瞬時跳躍，沒有中間變化過程。）

從此以後，以玻爾為首的哥本哈根學派，在一批青年才俊共同打造下，構建起量子力學的宏偉大廈——31歲的德布羅意提出來「物質波」；24歲的海森堡創立了矩陣力學和不確定性原理；24歲的泡利提出了不相容原理；26歲的狄拉克創立狄拉克方程；37歲的薛定諤建立了薛定諤方程……

如今，量子力學作為科學大廈早已高聳入雲，我們是不可能用一篇文章全部說清楚的，不過，為了搞懂量子衛星，我們只需要搞懂幾個基本概念就好了。

量子的疊加態原理

——微觀粒子可以同時位於兩個甚至多個地點的狀態！更加詭異的是，直到有觀察者去測量它時，疊加態才會坍縮成一個確定的狀態。

乍看起來這不是胡話八道，違背常理嘛！其實你用不著大呼小叫，早有物理學大師替你做了。

• 愛因斯坦說過：「如果量子力學是正確的，這個世界就有點瘋狂！」
• 玻爾也說過：「誰要是不為量子理論感到震驚，那是因為他還不了解這個理論。」
• 別鬧了費曼先生曾說過：「我想我可以相當有把握地說，沒人能真的搞懂量子力學。」

但對於粒子世界，人類的感官直覺確實沒啥用！重要的是，事實勝於雄辯，實驗贏得信服。可以這麼說，沒有量子力學，就沒有今天的高科技產業。正因為利用量子的疊加態，人類才創造出了量子通訊衛星、量子計算機。

也正因為疊加態是量子力學的最大奧秘，由此才引出了一大坨衍生品：

▲一個既死又活的薛定諤貓

①薛定諤編出來的思想實驗「薛定諤貓」，一個既死又活的貓，正是微觀量子疊加態的宏觀可視化；

②物理學家給這種量子坍縮現象，起了個古怪的名字：波函數坍縮；

③惠勒把這種「觀測影響量子行為」的現象，演繹為著名的「延遲決定」，並構想出了更詭異的「延遲選擇實驗」……

量子糾纏態原理

——我們剛剛領教了詭異的量子疊加態，還有更詭異的等著我們呢，這就是糾纏態。曾經在一起的粒子，無論分開多麼遙遠，都能保持瞬時、超距、魔法般的聯繫。

比如，曾經相距很近的兩個粒子一旦被分開很遠很遠，就算分到宇宙兩端，至少在理論上是這樣，它們仍然能夠相互聯繫。實際上，刺激一個粒子，會讓它遠在天邊的小夥伴，另一個粒子同時感應！

為了防止你胡思亂想，我必須要澄清的是——量子糾纏現象可不能用來證實心靈感應，或者超自然魔法。千萬別攪和到一起！

量子不確定性原理

——也叫海森堡測不準原理，由量子理論奠基人之一海森堡提出，說的是你無法同時測出一個粒子的位置和速度。

這個原理很好理解，比如一個電子運動軌道小到只有10^-10米，運動速度卻高達10^6米／秒，以人類現有的測量手段——光子撞擊它，只能二選一：測准一個量，要麼速度，要麼位置。要想測量電子的位置，就必須使用更短波長的光子，而波長越短的光子攜帶的能量越大，對電子運動速度產生的擾動也越大，當然也就測不準了。反之亦然。

量子態不可複製原理

——也叫不可克隆原理，1982年由美國物理學家威斯納提出，說的是對任意一個未知的量子態進行精確的、完全相同的複製，是不可能實現的。

其實這個也很好理解，要想對一個粒子進行完全複製，就得進行精確測量，而不確定性原理又決定了量子是測不準的，當然就談不上什麼複製克隆了。

關鍵問題來了，這些量子原理到底跟量子衛星有什麼關係？

關係大了。正因為存在這些不可思議的量子態原理，量子衛星才會利用它們發揮量子態的最大效用！

我們知道，量子科學應用主要包括三塊：量子通信、量子計算、量子精密測量。歐盟最新給出的統計顯示：量子通信上，中國領先，歐洲次之；量子計算方面，歐洲最強，美國其次；量子精密測量上，歐洲是老大，其次是美國。

之所以中國花大力氣研發量子通信衛星，最最重要的目的就是為了保密！而量子通信衛星的核心技術正是——量子密碼。因為根據剛才說的這些量子態原理，量子密碼必然是不可竊聽、不可破解的！

也就是說，量子理論為人類提供了一種史無前例、絕對安全的密碼系統。

具體來說，竊密者如果竊取量子密碼，就必須進行同步相應測量，但根據量子態的不確定原理和不可複製原理，只要對量子密碼進行測量，就必定改變數子系統狀態，這樣的話，保密方就會立即發現而終止通信，改換其他量子通道。

保密方同樣會遇到——不確定原理和不可複製原理的限制，不可能將所有保密信息進行量子態傳輸，那該怎麼辦呢？到底如何利用量子密碼？

關鍵人物帶來了關鍵密鑰

▲現代量子信息理論的開山鼻祖貝內特

1984年美國物理學家貝內特創立了量子密碼學的核心——量子密鑰的分發機制，這就是業界著名的「BB84」，從此打開了人類量子密碼通信時代的大門。由此，他被尊為「現代量子信息理論的開山鼻祖」。

「BB84」的核心就是信息發送方必須將保密信息分成兩部分：量子信息和經典信息，分別由量子通道（如量子衛星）和經典通道（如無線電／互聯網）協作發送出去，而量子信息必須通過量子糾纏態來完成，信息接收方獲取這兩種信息後，就可以構造出原始量子態的精確副本。

▲量子隱形傳輸原理圖

這就是量子隱形傳輸原理圖：發送者要將量子態的保密信息X，以量子隱形傳輸方式傳到接收者那裡，到底是怎麼做到的呢？

①先把一對量子糾纏粒子A、B，分給發送者和接收者；

②發送者對A、X進行測量操作（學名貝爾測量，因為太專業，從略），結果瞬間形成：在X、A、B三個粒子之間完成糾纏轉移，原來不糾纏的X、A糾纏起來，A變化立即影響B也發生變化，X量子態信息大部分轉移到了B；

③發送者通過經典通道把經典信息傳給接收者，即告知測量結果；

④接收者將量子通道傳來的B和經典通道傳來的測量結果，兩者進行變換操作（過於專業，從略），從而接收者得到了完整的量子態保密信息X。

一提到【量子隱形傳輸】，很容易讓人想到科幻界里的超光速傳輸或者遠距離傳送門。但遺憾的是，這是不可能的！

• 其一，因為量子隱形傳輸需要藉助諸如無線電／互聯網等經典通道才能完成，只要是經典通道，就無法超越光速這個最高限，所以並不能實現所謂的超光速通信。
• 其二，這裡說的量子隱形傳輸只是量子的複製／克隆，就算是克隆一個小小的沙粒，都完全不知道如何操作，更別說什麼人體活物了，這種設想已經大大超越了現有物理學的能力範疇，要想找到答案，恐怕要等幾百上千年吧。

需要特別說明一點，整個量子隱形傳輸過程，無論是發送者還是接收者，其實都對X保密信息一無所知，因為這個過程包括了量子科學的三大應用——量子密鑰分發、量子糾纏分發、量子隱形傳輸，三者都是分開操作的，這樣才能徹底保證做到：人類密碼史上永不可破的終極密鑰——量子密碼！

就像頂尖理論物理學家，需要頂級的實驗物理學家去實證一樣，最好的量子密碼理論體系，需要有最棒的科研團隊才能實現。

以潘建偉為首的中國量子通信的開路先鋒們，如今早已經遙遙領先於全世界——

• 2016年，建成全球首條量子通信「京滬幹線」，傳輸長達2000多公里，中國率先邁出量子通信網路的第一步；
• 2016年，發射全球首顆量子通信衛星墨子號，領跑即將到來的量子通信時代；
• 2017年，墨子號實現1200公里的量子糾纏分發，實現三大科學成果：量子密鑰分發、量子糾纏分發、量子隱形傳態；

• 2020年，中國將建成亞洲與歐洲的洲際量子通信網；

• 2030年，中國將建成全球化的廣域量子通信網路。

毫無疑問，中國已經遙遙領先於全球量子通信時代。領先的感覺真爽，尤其還是在最神秘的量子世界！

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