「墨子號」量子科學實驗衛星，上天都要忙些啥？

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一百一十五年前，馬可尼發出第一個越洋無線電信號的那一天，什麼都沒有改變。沒有人能預計到接下來一百年間通信會把這個世界變成什麼樣子——但每一個在場的人都知道，世界一定會因此而改變。

今天，我們站在了和他們一樣的位置上：2016年8月16日，世界上第一顆量子通信衛星「墨子號」從酒泉升空了。

墨子可能是第一個發現光沿直線傳播的中國人，而「墨子號」則可能改變我們世界中信息傳播的方式。它將第一次在太空中實現最先進也最安全的信息傳送手段——量子通信；這不但是未來覆蓋全球的量子通信網路的先驅，甚至還有助於進一步驗證量子理論自身的完備性。而這一切，都是在數學上最可怕問題的背景之下升空的。

要問世界上最可怕的數學題是什麼，那答案只能有一個：P 是否等於 NP。更確切地說，是萬一P=NP了，我們該怎麼辦。

這四個看似人畜無害的字元是所有密碼學家最大的噩夢。它的意思可以簡單表述為：「對於某些問題，求出它的解將和驗證一個解對不對同樣容易」。對很多問題，這是好事。但對密碼學，它卻動搖了現實中使用的幾乎所有密碼體系的根基——它們的演算法的基本原則就是「驗證密碼容易，找到密碼難」。大部分數學家「覺得」P≠NP，但還沒人能證明——而萬一P=NP，那麼這些密碼體系就通通完蛋了，現有的一切隱私和安全都土崩瓦解，我們將進入一個一切都透明、又一切都不能相信的新時代——

——除非，在此之前我們抓緊時間將僅有的幾種能抵禦P=NP的加密系統完善並投入應用。這其中最有希望的路線之一，就是量子密鑰分配的一次一密體系。

而2016年8月16日，我們在這條路上邁出了至關重要的一步。要理解這一步，必須先知道我們現在的加密體系面臨著什

從古代的飛鴿傳書和烽火傳訊，到現代的無線電話和互聯網，技術雖然已經面目全非，但就本質而言，通信從來就沒有發生過變化。所有的通信，都可以還原成再簡單不過的一個場景：場景中有兩個人，分別是發送者A和接收者B，而所謂的通信，就是A將信息傳遞給B的過程。

只可惜，在通信的世界裡，從來不只有A和B，還存在無數個C——他們本來不該是通信的參與者，卻可能對A傳遞給B的信息特別感興趣，想方設法試圖截獲通信內容。如果我有一條只想讓你看到的信息，那麼如何確保信息不被第三方偷聽就是個非常重要的問題。然而，對於經典通信方式來說，完全杜絕竊聽是做不到的。

那麼，至少讓竊聽者費一番功夫？答案當然就是加密了：給原始消息「打碼」之後，讓接收方「解碼」。加密技術多種多樣，但大部分都不完全可靠。它們只是「很難破解」，而不是「不可破解」。對於日常生活中幾乎所有應用，「很難」就已經足夠了——如果我的密碼需要一百萬年才能破出來，那跟無法破解也沒啥區別；可是如果P=NP，那麼這些難題就都一下子變成了簡單題。就算沒有這個數學上的困難，未來計算機技術的發展——比如量子計算機——也能讓一大片目前常用的加密演算法從很難變得不那麼難。

好在有些加密法真的就是理論上不可能破解的。這其中最著名的，就是「一次性密碼本」（one-time pad）；如果使用正確的話，理論上被證明是牢不可破的。舉例來說，如果A要給B傳遞一串數字，20160816。在通信前，他們先隨機生成一個密碼本，長度至少與信息本身等長——比如，隨機生成的密碼本為43857241，A和B人手一份。發送信息前，A使用密碼本里的密碼給每一位數字加密。方法可以很簡單，每位數字都與密碼本上的對應密碼相加，相加的結果僅保留個位即可。於是，A把原始信息加密成了63917057，並通過經典通信方式發送出去。接收到加過密的數字後，B再使用同一個密碼本給每一位數字解密——每一位數字都與密碼本上的對應密碼相減，相減的結果同樣只保留個位數字，不考慮正負號。這樣，B就還原出了原來的信息：20160816，通信完成。對於豎起耳朵偷聽的C來說，即使他在通信中截獲了63917057這串加密數字，由於手頭沒有A和B拿來加密和解密的密碼本，他便無法破解出A和B實際傳遞的信息。簡直天衣無縫！

真的嗎？別忘了，一次性密碼本也是信息，它仍需要被分送到A和B的手中，讓他們人手一本，而且傳遞密碼本的通信過程必須嚴格保密，絕對不能被其他任何人竊聽——

於是，問題回到了原點。一方面，有了理論上「牢不可破」的加密方法，才能夠實現完全保密的加密通信；而另一方面，必須要有能夠完全保密的通信方式，加密方法才能夠在理論上「牢不可破」。這樣一個死循環，在經典通信方式中無解。

幸好，解開這個死循環，實現真正安全的加密通信的方法，就藏在量子世界的神奇特性之中。

么問題。

在我們熟悉的經典世界裡，事物的某一性質，比如說指針的方向，不論你採用什麼方法去測量，得到的結果都應該是一致的。這個世界裡，信息可以用二進位的「經典比特」來表示，任意時刻一個比特只有兩種特定的狀態，要麼是0，要麼是1。但在量子世界裡，事情就完全不是這樣了。

舉個例子：光子有一個屬性叫做「偏振」，可以想像成它振動的方向。偏振可以分解為兩個相互垂直的方向，可以用來存儲信息；但是具體哪兩個，則取決於人的測量選擇。如果你選擇「平」的方向，用「＋」來表示，那麼就可以人為規定，偏振方向為「↑」代表0，偏振方向為「→」則代表1。你也可以選擇45度的測量方向，用「×」來表示，同樣可以人為規定，偏振方向「↗」代表0，偏振方向「↘」代表1。

而接下來就是量子世界的神奇屬性了：對於光子偏振方向這個量子態，你所選擇的測量方向，居然會影響到你的測量結果！對於偏振方向為「↑」或者「→」的光子，如果選擇「＋」方向來測量，你得到的結果仍然是光子原先的偏振方向。然而，如果你選擇「×」方向去測量，不論光子原來偏振方向如何，你都會隨機得到「↗」或者「↘」的光子，幾率各為50%。同樣道理，對於偏振方向本來就是「↗」或者「↘」的光子，如果你選擇「＋」方向來測量它，你會隨機測到「↑」或者「→」的光子，幾率也各為50%。只有選擇「×」方向進行測量，才能準確測定出這個光子本來的偏振方向。

接受了量子世界的這一古怪特性，接下來的事情就好辦多了。發送者A先隨機生成一組二進位比特，我們稱之為「發送者的密鑰比特」。同時，A還要對每個「發送者的密鑰比特」都隨機選取一個測量模式（「＋」或者「×」），在這個測量模式下，把每個比特對應的偏振狀態的光子發送給接受者B。比如，傳輸一個比特0，選擇「＋」測量模式，A就需要發出一個偏振方向為「↑」的光子給B。

對於A發過來的每一個光子，接收者B也得隨機選擇一個測量模式來測量。就以剛才A發過來的這個光子為例：如果B也恰好隨機選擇了「＋」來測量，就會測得偏振方向為「↑」，於是記錄這個比特為0；如果B隨機選擇了「×」來測量，那就各有50%的幾率測得「↗」或者「↘」的光子，記錄到這個比特就有一半可能為0，一半可能為1。

A用這種方式把手裡的密鑰比特全部發送出去，B則把A發來的光子全部接收並進行測量，如此這般，B便得到了一組同樣長度的二進位比特。不過，由於測量模式的選擇引入的隨機性，A和B手裡的這兩組密鑰現在還不完全一樣。他們必須再通過（並不安全的）經典通信方式建立聯繫，相互通報各自使用過的測量模式。測量方式碰巧相同的比特，就保留下來；測量方式不同的比特，由於結果是隨機的，直接捨棄即可。A和B碰巧採用相同測量方式而被保留下來的二進位比特，才是他們最終生成的一次性密碼本。

BB84協議

這個被改變的光子被傳給接受者B後，即便他選擇了跟發送者A相同的測量模式「＋」，但由於竊聽者C已經改變了截獲光子的偏振狀態，B的測量結果不可能百分之百為「↑」，而會有一半的幾率測出「→」。這樣一來，A和B手中最後生成的密碼本就不會完全一樣，而是會有大約25%的不同。在生成密碼本的過程中，假設竊聽者C截獲了A發送給B的光子，會發生什麼？想知道光子攜帶了什麼信息，C也必須隨機選取「＋」或者「×」來測量它。這個時候，決定C能否成功竊取這一位密鑰的因素就是——他的運氣。如果C能選中跟A一樣的測量模式，那就不僅正確讀出了其中攜帶的比特，也沒有改變光子的偏振狀態。但是，一旦C選擇了跟A不同的測量模式，比如，A用測量模式「＋」，發出了一個偏振方向為「↑」的光子，你卻選了「×」來測量它，那麼你就完全改變了這個光子的偏振狀態，把它變成了一個「↗」或者「↘」的光子，幾率各為50%。

因此，只要A和B在密碼本生成之後，通過經典通信方式，拿出密碼本的一小部分相互對照，是否存在竊聽者C就一目了然了。如果發現相互之間有25%的密碼不同，那就可以斷定密碼通信被人竊聽了。反過來，如果發現密碼100%相符，那量子物理的特性就可以確定密碼本是安全的，整個過程沒有被人截獲。

1984年，查理斯.本內特（Charles Bennett）和吉勒.布拉薩（Gilles Brassard）想出了上述的「量子密鑰分配方案」，這種方法被稱為BB84協議。由於BB84協議可以有效發現竊聽，從而關閉通信，或者重新分配密鑰，直到沒人竊聽為止，所以分配到A和B手中的一次性密碼本，就成為了一種「牢不可破」的加密手段，能夠給經典通信加密，進而實現完全保密的加密通信。在這個協議基礎上，世界各國都開展了傳輸用量子密鑰加密過的二進位信息的網路建設，即量子保密通信網。中國在這方面走在了世界最前面。

中國科學技術大學的潘建偉團隊，在合肥市實現了國際上首個所有節點都互通的量子保密通信網路，後來又利用該成果為60周年國慶閱兵關鍵節點間構建了「量子通信熱線」。

然而，發展量子通信技術的終極目標，是構建廣域乃至全球範圍內絕對安全的量子通信網路體系。而想建設覆蓋全球的量子通信網路，必需依賴多顆量子通信衛星。「墨子號」量子科學實驗衛星，就是未來一系列量子通信衛星的探路者。

「墨子號」的重要科學目標之一，就是在衛星和地面之間進行高速量子密鑰分發，並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破。它將在衛星與地面之間展開量子密鑰分發實驗，甚至將在北京和維也納之間嘗試超遠距離的洲際量子密鑰分發。它還將嘗試與地面光纖量子通信網路鏈接，為未來覆蓋全球的天地一體化量子通信網路建立技術基礎。

儘管「量子密鑰分配」能為經典比特的傳輸建立牢不可破的保密通信，但嚴格來說，它傳遞的並不是真正的量子比特。在量子通信中還有另一個被稱為「量子隱形傳態」的方向，能利用量子糾纏來直接傳輸量子比特——那才是真正意義上的量子通信方式。

量子力學中最神秘的就是疊加態，而「量子糾纏」正是多粒子的一種疊加態。以雙粒子為例，一個粒子A可以處於某個物理量的疊加態，能夠用一個量子比特來表示，同時另一個粒子B也可以處於疊加態。當兩個粒子發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，也就是糾纏態。例如，有一種糾纏態就是，無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處於0態時，B粒子一定處於1態；反之，當A粒子處於1態時，B粒子一定處於0態。

如果用薛定諤的貓做比喻，即A和B兩隻貓如果形成上面的糾纏態：

那麼無論兩隻貓相距多遠，即便在宇宙的兩端，當A貓是「死」的時候，B貓必然是「活」；當A貓是「活」的時候，B貓一定是「死」。（當然真實的情況是，貓這種宏觀物體不可能把量子糾纏維持這麼長時間，幾億億億億分之一秒內就會解除糾纏。但基本粒子是可以的，比如光子。）

這種跨越空間瞬間影響雙方的量子糾纏，曾經被愛因斯坦稱為「鬼魅的超距作用」(spooky action at a distance)，並以此來質疑量子力學的完備性，因為這個超距作用違反了他提出的「定域性」原理，即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速。這就是著名的「EPR佯謬」。

後來物理學家玻姆在愛因斯坦的定域性原理基礎上，提出了「隱變數理論」來解釋這種超距相互作用。不久物理學家貝爾提出了一個不等式，可以來判定量子力學和隱變數理論誰正確。如果實驗結果符合貝爾不等式，則隱變數理論勝出。如果實驗結果違反了貝爾不等式，則量子力學勝出。

貝爾不等式的意義。

但是，隨後的一次又一次實驗，結果都違反了貝爾不等式，證實了量子力學才是對的，愛因斯坦的定域性原理必須被捨棄。2015年，荷蘭物理學家做的最新無漏洞貝爾不等式測量實驗，基本宣告了定域性原理的死刑。

因為這神奇的量子糾纏是非局域的，兩個糾纏的粒子無論相距多遠，測量其中一個粒子的狀態，必然能同時獲得到另一個粒子的狀態，而這個「信息」的獲取又不受光速限制，物理學家自然想到，能否利用這種跨越空間的糾纏態進行信息傳輸？於是，基於量子糾纏態的量子通信應運而生，這種試圖通過跨越空間的量子糾纏來實現對量子比特的傳輸的通信方式，被稱為「量子隱形傳態」。

量子隱形傳態的過程（即傳輸協議），如上圖所示，一般分以下幾步：

第一步，製備一個糾纏粒子對。將粒子1發射到A點，粒子2發送至B點。

第二步，在A點，另一個粒子3攜帶一個想要傳輸的量子比特Q。於是A點的粒子1和B點的粒子2對，會與粒子3一起，形成一個總的態。在A點同時測量粒子1和粒子3，得到一個測量結果。這個測量會使粒子1和粒子2的糾纏態坍縮掉，但同時粒子1和和粒子3卻糾纏到了一起。

第三步，A點的一方利用經典通信方式，把自己的測量結果告訴B點一方。

第四步，B點的一方收到A點的測量結果後，就知道了B點的粒子2處於哪個態。在這種情況下，只要對粒子2稍做一個簡單操作，它就會變成粒子3在測量前的狀態。於是，粒子3攜帶的量子比特無損地從A點傳輸到了B點，而粒子3本身還留在A點，並沒有傳到B點。

利用上面這個過程，就可以通過量子糾纏，把一個量子比特無損地從一個地點傳送到另一個地點。這也是量子通信目前最主要的方式。需要指出的是，由於步驟3通過經典通信方式傳遞信息不可忽略，因此也就限制了整個量子隱形傳態的速度，導致量子隱形傳態的信息傳輸速度實際上無法超過光速。

量子計算需要直接處理量子比特，「量子隱形傳態」這種直接傳遞量子比特的傳輸，將成為未來量子計算之間的量子通信方式。量子隱形傳態和量子計算機終端，未來可以構成純粹的量子信息傳輸和處理系統，也就是真正意義上的量子互聯網。這將是未來量子信息時代最顯著的標誌。

在量子糾纏和量子隱形傳態領域，「墨子號」量子科學實驗衛星同樣肩負著重要的科學目標，那就是在空間尺度上通過實驗來檢驗量子力學本身的完備性。這個科學目標，在身為量子物理學家的首席科學家潘建偉院士看來，或許比建立天地一體化的量子保密通信網路來得更顯誘人。

目前已經有很多實驗證明了量子力學的糾纏態，但在長距離大範圍條件下進行上千千米量級的量子糾纏態觀測，還從來沒有人實現過。「墨子號」量子科學實驗衛星上攜帶著量子糾纏光源，可以從太空同時向兩個地面站分發糾纏光子。完成量子糾纏分發之後，再對地面站的兩個糾纏光子同時進行獨立的貝爾態測量，便可以在超過上千千米的距離上對貝爾不等式是否成立進行檢驗。

不僅如此，科學家還將利用「墨子號」衛星，通過量子隱形傳態的方式，將微觀量子態直接從地面傳送到太空中去。儘管傳送的只是量子態而非粒子本身，並且這種量子通信方式也不可能超越光速，但至少從某種意義上，地星量子隱形傳態實驗將實現科幻小說里經常出現一種進入太空的方式——直接傳送上去。

「墨子號」：將科學轉變為技術

對於這些針對量子力學有效性的科學實驗，美國麻省理工學院物理學教授Vladan Vuletic是這樣評價的：「量子力學走到今天，已經在很多不同的環境和體系下被檢驗過多次，幾乎不會有人真的以為，在延伸到太空甚至更遠的距離上，量子力學本身就會不再有效。不過，這一點如果能夠經過實驗驗證的話，當然更好。」

「從個人而言，我並不指望衛星實驗能夠教給我們任何我們尚不了解的量子力學和有關量子奇特性質的知識。然而，量子科學實驗衛星項目卻有著非常重大的意義，它將會把科學轉變為技術：如果實驗成功，它將有可能建立比經典物理學更強有力的地面系統與空間系統鏈接。然後，這種鏈接可以在實際上用於安全的信息交流。因此，愛因斯坦對量子物理學的反對就會轉變成一種交流工具，這將是一個非常激動人心的進展。」

「墨子號」量子科學實驗衛星只是一個開始。從長遠來看，「要實現全球化量子通信，還需要長期的努力，特別是需要多顆衛星的組網」，量子科學實驗衛星科學應用系統總師兼衛星系統副總師、中國科大微尺度物質科學國家實驗室研究員彭承志表示。

這條征途沒有盡頭。好在這一回，中國站在了最前面。