“墨子號”上天忙些啥

Steed++九維空間

115年前，馬可尼發(fā)出第一個越洋無線電信號的那一天，什么都沒有改變。沒有人能預計到接下來100年間通信會把這個世界變成什么樣子——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(wèi)星“墨子號”從酒泉升空了。

墨子可能是第一個發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡的先驅，甚至還有助于進一步驗證量子理論自身的完備性。

量子隱形傳態(tài)：真正意義上的量子通信

發(fā)展量子通信技術的終極目標，是構建廣域乃至全球范圍內絕對安全的量子通信網(wǎng)絡體系。而想建設覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡，必須依賴多顆量子通信衛(wèi)星。“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，就是未來一系列量子通信衛(wèi)星的探路者。

“墨子號”的重要科學目標之一，就是在衛(wèi)星和地面之間進行高速量子密鑰分發(fā)，并在此基礎上進行廣域量子密鑰網(wǎng)絡實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破。它將在衛(wèi)星與地面之間展開量子密鑰分發(fā)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(fā)。它還將嘗試與地面光纖量子通信網(wǎng)絡鏈接，為未來覆蓋全球的天地一體化量子通信網(wǎng)絡建立技術基礎。

盡管“量子密鑰分配”能為經(jīng)典比特的傳輸建立牢不可破的保密通信，但嚴格來說，它傳遞的并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(tài)”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(tài)，而“量子糾纏”正是多粒子的一種疊加態(tài)。以雙粒子為例，一個粒子A可以處于某個物理量的疊加態(tài)，能夠用一個量子比特來表示，同時另一個粒子B也可以處于疊加態(tài)。當兩個粒子發(fā)生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態(tài)，也就是糾纏態(tài)。例如，有一種糾纏態(tài)就是，無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處于0態(tài)時，B粒子一定處于1態(tài)；反之，當A粒子處于1態(tài)時，B粒子一定處于0態(tài)。

這種跨越空間瞬間影響雙方的量子糾纏，曾經(jīng)被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance），并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”。

后來物理學家玻姆在愛因斯坦的定域性原理基礎上，提出了“隱變量理論”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量理論誰正確。如果實驗結果符合貝爾不等式，則隱變量理論勝出。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

隨后的一次又一次實驗，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舍棄。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(tài)，必然能同時獲得另一個粒子的狀態(tài)，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(tài)進行信息傳輸？于是，基于量子糾纏態(tài)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(xiàn)對量子比特的傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，被稱為“量子隱形傳態(tài)”。

利用量子隱形傳態(tài)的過程，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，由于其中有通過經(jīng)典通信方式傳遞的步驟，因此也就限制了整個量子隱形傳態(tài)的速度，導致量子隱形傳態(tài)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(tài)”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(tài)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(tǒng)，也就是真正意義上的量子互聯(lián)網(wǎng)。這將是未來量子信息時代最顯著的標志。

在量子糾纏和量子隱形傳態(tài)領域，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)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，在身為量子物理學首席科學家的潘建偉院士看來，或許比建立天地一體化的量子保密通信網(wǎng)絡來得更顯誘人。

目前已經(jīng)有很多實驗證明了量子力學的糾纏態(tài)，但在長距離大范圍條件下進行上千千米量級的量子糾纏態(tài)觀測，還從來沒有人實現(xiàn)過?！澳犹枴绷孔涌茖W實驗衛(wèi)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(fā)糾纏光子。完成量子糾纏分發(fā)之后，再對地面站的兩個糾纏光子同時進行獨立的貝爾態(tài)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(wèi)星，通過量子隱形傳態(tài)的方式，將微觀量子態(tài)直接從地面?zhèn)魉偷教罩腥?。盡管傳送的只是量子態(tài)而非粒子本身，并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(tài)實驗將實現(xiàn)科幻小說里經(jīng)常出現(xiàn)的一種進入太空的方式——直接傳送上去。

“墨子號”：將科學轉變?yōu)榧夹g

對于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(jīng)在很多不同的環(huán)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(jīng)過實驗驗證的話，當然更好?！?/p>

“從個人而言，我并不指望衛(wèi)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(wèi)星項目卻有著非常重大的意義，它將會把科學轉變?yōu)榧夹g：如果實驗成功，它將有可能建立比經(jīng)典物理學更強有力的地面系統(tǒng)與空間系統(tǒng)鏈接。然后，這種鏈接可以在實際上用于安全的信息交流。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?！?/p>

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星只是一個開始。從長遠來看，“要實現(xiàn)全球化量子通信，還需要長期的努力，特別是需要多顆衛(wèi)星的組網(wǎng)”，量子科學實驗衛(wèi)星科學應用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)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。