量子？量子糾纏？量子通信？我竟然讀懂這篇文章了

2016年8月16日，我國科學家研製的科學實驗衛星「墨子號」，在酒泉衛星發射中心成功發射。報道說，這顆衛星的目的是探索一種新的保密性非常強的通信方式——量子通信，這種通信，是建立在一種名叫「量子糾纏」的原理之上的。

先說說為什麼叫「墨子號」

墨子，是春秋戰國時期古代思想家，墨學創始人，對自然科學也頗有研究。他第一個提出「光線是直線傳播的」，並發現了「小孔成像」原理，為攝影術奠定了基礎。量子通信，正是依靠「光線傳播」來實現的，所以，用「墨子」命名這顆衛星，還是挺恰當的。

量子糾纏，又是怎麼一回事呢？

先說說什麼是量子

世界上，有些東西是連續的，例如打開水龍頭，有水流出來，根據水龍頭打開的大小，水流可以連續地發生變化。但有些東西就不能這樣了，例如機關槍，射出的子彈就不能連續變化了，要嘛1個，要嘛2個，總之是n個，n只能是整數，你用機槍給我發射1/2個子彈試試？

科學家發現，光線也是不連續的，是由一個一個光子組成的，我們稱之為光量子，也叫量子。

研究量子的科學，叫量子力學。

隨著研究的深入，科學家發現，微觀世界的各種基本粒子，無一例外，都服從量子力學的規律，這些規律和我們日常所見的宏觀世界的規律大相徑庭，讓我們瞠目結舌，困惑不解。

譬如，在宏觀世界，波和粒子是不同的概念，但在微觀世界，兩者可以統一起來。例如光線，既可以看成是波——光波，又可以看成是粒子——光子，具有「波粒二重性」。

當愛因斯坦第一次提出光的「波粒二重性」的時候，遭到大多數人的嘲笑和攻擊：什麼意思？每周1、3、5是波，2、4、6是粒子，輪流做莊？這不是胡說八道嗎？

然而，實驗證明，愛因斯坦是對的：任何時候，光都有波粒二重性。人們理解不了，也沒有辦法，只能慢慢理解吧。

還有，在宏觀世界，一個物體的速度和位置，是可以同時準確測定的，譬如飛機來了，雷達可以把飛機的速度、位置都準確測定。但對於微觀粒子，就不行了，科學家發現，如果把一個基本粒子的位置測准了，它的速度就測不準了。還有，時間和能量，也只能測准其中的。這就叫著名的「測不準原理」。

順便說一句，在微觀世界，測量可不是一件簡單的事，測量會破壞或改變微觀粒子的狀態。

量子糾纏，又是怎麼一回事呢？

還有一種難以理解的現象，就是量子糾纏了。

如果把兩個基本粒子「糾纏」起來（如何糾纏下面再說），然後把這兩個粒子分開，一個放在北京，一個放在上海，當你改變北京那個粒子的狀態時，上海那一個的狀態也就同時改變了，儘管他們之間沒有發生任何聯繫。

這種「超距作用」的傳播距離，還可以更遠，理論上，即使兩個粒子相隔若干光年，譬如一個放在地球上，另一個放到織女星上，也是可以相互影響的。

這種現象，歷史上，被愛因斯坦稱之為「鬼魅學說」，他認為違反了因果律和定域性原則，是不可信的，為此，他和量子力學的代表人物——丹麥科學家玻爾，爭論了很多年。

但是，近來越來越多的實驗證明，愛因斯坦可能錯了。

2015年10月25日，荷蘭代爾夫特理工大學的科學家們把兩顆鑽石分別放在代爾夫特理工大學校園內的兩側，距離1.3公里。每塊鑽石含有一個可以俘獲單個電子的微小空間，每個空間放置一個被糾纏過的電子，它們之間，沒有任何方式的聯繫。實驗證明，確實存在這種奇異的「超距作用」，改變其中一個的狀態，另一個也發生了改變。

我國科學家潘建偉等人，實現了百公里量級的量子糾纏和應用的研究，其科研成果，已經走到了世界的前列。

如何把量子糾纏應用到通信領域呢？

光子，也是一種電磁波，其磁場和電場都是有方向的（或者叫光子的偏振），譬如把水平方向定為「0」，垂直方向定為「1」，通過改變光子的偏振狀態，就可以把一組光子進行編碼了。

量子通信傳遞的，不是電波，而是一個個被編碼的、被糾纏過的光子，每一個光子要嘛是「0」，要嘛是「1」，一連串的「0」和「1」就代表了要傳遞的信息。

顯然，傳遞信息量越大（比特數目大），要求被糾纏的光子數目越多，也是一個技術難題，目前，最大的糾纏數目已經達到8個，從實用角度看，數量還是太少了。

糾纏光子的製備、儲存和傳輸，也都是技術難題。

目前正在試驗的量子通訊，傳遞的並非信息本身，而是打開信息的密碼（或稱密鑰），信息本身還是需要用傳統手段傳遞。完全依靠量子糾纏實現「遠程隱形傳輸」，為時尚早，它是科學家們的一個奮鬥目標，對它的認識，還需要一個探索和深入理解的過程。

為什麼說量子通信保密性很強呢？

這是因為，在糾纏光子的傳遞過程中，如果有人竊聽，它的狀態就會因竊聽（測量）發生改變，密碼接收的誤碼率會明顯增加，引起發射者的警覺，而停止密鑰的發送。當竊聽者消失後，可以換一組密碼重新發送。因為能及時發現竊聽者，所以，量子通信具有很強的保密性。

最後，談一下如何實現光子的糾纏

一個常用的辦法是，利用晶體的非線性效應。譬如，把一個具有紫外線光子放進晶體里，由於非線性效應的存在，在輸出端可以得到兩個紅外線光子。因為這兩個紅外光子來源於同一個「母親」，就處於相互「糾纏」的狀態了。