“墨子号”上天忙些啥

Steed++九维空间

115年前，马可尼发出第一个越洋无线电信号的那一天，什么都没有改变。没有人能预计到接下来100年间通信会把这个世界变成什么样子——但每一个在场的人都知道，世界一定会因此而改变。

今天，我们站在了和他们一样的位置上：2016年8月16日，世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”从酒泉升空了。

墨子可能是第一个发现光沿直线传播的中国人，而“墨子号”则可能改变我们世界中信息传播的方式。它将第一次在太空中实现最先进也最安全的信息传送手段——量子通信；这不但是未来覆盖全球的量子通信网络的先驱，甚至还有助于进一步验证量子理论自身的完备性。

量子隐形传态：真正意义上的量子通信

发展量子通信技术的终极目标，是构建广域乃至全球范围内绝对安全的量子通信网络体系。而想建设覆盖全球的量子通信网络，必须依赖多颗量子通信卫星。“墨子号”量子科学实验卫星，就是未来一系列量子通信卫星的探路者。

“墨子号”的重要科学目标之一，就是在卫星和地面之间进行高速量子密钥分发，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。它将在卫星与地面之间展开量子密钥分发实验，甚至将在北京和维也纳之间尝试超远距离的洲际量子密钥分发。它还将尝试与地面光纤量子通信网络链接，为未来覆盖全球的天地一体化量子通信网络建立技术基础。

尽管“量子密钥分配”能为经典比特的传输建立牢不可破的保密通信，但严格来说，它传递的并不是真正的量子比特。在量子通信中还有另一个被称为“量子隐形传态”的方向，能利用量子纠缠来直接传输量子比特——那才是真正意义上的量子通信方式。

量子力学中最神秘的就是叠加态，而“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，能够用一个量子比特来表示，同时另一个粒子B也可以处于叠加态。当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，也就是纠缠态。例如，有一种纠缠态就是，无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。

这种跨越空间瞬间影响双方的量子纠缠，曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance），并以此来质疑量子力学的完备性，因为这个超距作用违反了他提出的“定域性”原理，即任何空间上相互影响的速度都不能超过光速。这就是著名的“EPR佯谬”。

后来物理学家玻姆在爱因斯坦的定域性原理基础上，提出了“隐变量理论”来解释这种超距相互作用。不久物理学家贝尔提出了一个不等式，可以来判定量子力学和隐变量理论谁正确。如果实验结果符合贝尔不等式，则隐变量理论胜出。如果实验结果违反了贝尔不等式，则量子力学胜出。

贝尔不等式的意义

随后的一次又一次实验，结果都违反了贝尔不等式，证实了量子力学才是对的，爱因斯坦的定域性原理必须被舍弃。2015年，荷兰物理学家做的最新无漏洞贝尔不等式测量实验，基本宣告了定域性原理的死刑。

因为这神奇的量子纠缠是非局域的，两个纠缠的粒子无论相距多远，测量其中一个粒子的状态，必然能同时获得另一个粒子的状态，而这个“信息”的获取又不受光速限制，物理学家自然想到，能否利用这种跨越空间的纠缠态进行信息传输？于是，基于量子纠缠态的量子通信应运而生，这种试图通过跨越空间的量子纠缠来实现对量子比特的传输的通信方式，被称为“量子隐形传态”。

利用量子隐形传态的过程，可以通过量子纠缠，把一个量子比特无损地从一个地点传送到另一个地点。这也是量子通信目前最主要的方式。需要指出的是，由于其中有通过经典通信方式传递的步骤，因此也就限制了整个量子隐形传态的速度，导致量子隐形传态的信息传输速度实际上无法超过光速。

量子计算需要直接处理量子比特，“量子隐形传态”这种直接传递量子比特的传输，将成为未来量子计算之间的量子通信方式。量子隐形传态和量子计算机终端，未来可以构成纯粹的量子信息传输和处理系统，也就是真正意义上的量子互联网。这将是未来量子信息时代最显著的标志。

在量子纠缠和量子隐形传态领域，“墨子号”量子科学实验卫星同样肩负着重要的科学目标，那就是在空间尺度上通过实验来检验量子力学本身的完备性。这个科学目标，在身为量子物理学首席科学家的潘建伟院士看来，或许比建立天地一体化的量子保密通信网络来得更显诱人。

目前已经有很多实验证明了量子力学的纠缠态，但在长距离大范围条件下进行上千千米量级的量子纠缠态观测，还从来没有人实现过。“墨子号”量子科学实验卫星上携带着量子纠缠光源，可以从太空同时向两个地面站分发纠缠光子。完成量子纠缠分发之后，再对地面站的两个纠缠光子同时进行独立的贝尔态测量，便可以在超过上千千米的距离上对贝尔不等式是否成立进行检验。

不仅如此，科学家还将利用“墨子号”卫星，通过量子隐形传态的方式，将微观量子态直接从地面传送到太空中去。尽管传送的只是量子态而非粒子本身，并且这种量子通信方式也不可能超越光速，但至少从某种意义上，地星量子隐形传态实验将实现科幻小说里经常出现的一种进入太空的方式——直接传送上去。

“墨子号”：将科学转变为技术

对于这些针对量子力学有效性的科学实验，美国麻省理工学院物理学教授Vladan Vuletic是这样评价的：“量子力学走到今天，已经在很多不同的环境和体系下被检验过多次，几乎不会有人真的以为，在延伸到太空甚至更远的距离上，量子力学本身就会不再有效。不过，这一点如果能够经过实验验证的话，当然更好。”

“从个人而言，我并不指望卫星实验能够教给我们任何我们尚不了解的量子力学和有关量子奇特性质的知识。然而，量子科学实验卫星项目却有着非常重大的意义，它将会把科学转变为技术：如果实验成功，它将有可能建立比经典物理学更强有力的地面系统与空间系统链接。然后，这种链接可以在实际上用于安全的信息交流。因此，爱因斯坦对量子物理学的反对就会转变成一种交流工具，这将是一个非常激动人心的进展。”

“墨子号”量子科学实验卫星只是一个开始。从长远来看，“要实现全球化量子通信，还需要长期的努力，特别是需要多颗卫星的组网”，量子科学实验卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师、中国科大微尺度物质科学国家实验室研究员彭承志表示。

这条征途没有尽头。好在这一回，中国站在了最前面。