太空守秘者

陳曉東

“報(bào)——”

“主公，我們的信使在前往吳國(guó)的山路中被劫持，密令可能被他國(guó)竊取！”

“這……這可如何是好？”

這可能是三國(guó)時(shí)期，軍事競(jìng)爭(zhēng)中常見的突發(fā)狀況，在那個(gè)時(shí)代，信使的密令很有可能因?yàn)楸唤俪侄獾叫孤?。即使是密碼技術(shù)如此發(fā)達(dá)的今天，竊取者依然可以在神不知鬼不覺的情況下破解復(fù)雜的密碼，獲取重要信息。

如何才能讓通信安全得到保障呢？開發(fā)更加復(fù)雜的密碼嗎？不！科學(xué)家們找到了新的解決方法——采用量子通信技術(shù)。量子通信是目前唯一被證明無條件安全的通訊方式，可以有效解決信息安全傳輸問題。2016年8月16日，我國(guó)發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，它已經(jīng)開展了一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)來證明這個(gè)問題。

實(shí)驗(yàn)一：量子秘鑰分發(fā)

假如兩只蜘蛛在一張網(wǎng)上，一只小蚊蟲就好比是竊聽者，當(dāng)它觸及絲網(wǎng)的一瞬間，兩只蜘蛛都在同一時(shí)間知道了有竊聽者入侵。只是，在量子通信中，這個(gè)蜘蛛網(wǎng)可以換成量子通信線路，“墨子號(hào)”給兩只小蜘蛛分發(fā)共享的量子秘鑰（一般用光子的不同狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)），理論上這條量子通信線路是不可竊聽的，因?yàn)橐坏┠阍噲D去破解（測(cè)量）光子的狀態(tài)，測(cè)量的結(jié)果就不再是原來的狀態(tài)了，竊聽者得到的也不再是原來的信息了。這便是“墨子號(hào)”要進(jìn)行的量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)二：檢驗(yàn)量子糾纏現(xiàn)象

幾個(gè)微觀的粒子相互作用后，會(huì)成為一個(gè)奇特的體系，你無法單獨(dú)描述其中一個(gè)粒子的狀態(tài)。物理學(xué)家們把兩個(gè)粒子分離得很遠(yuǎn)，一旦科學(xué)家去測(cè)量一個(gè)粒子的狀態(tài)，體系中另一個(gè)粒子似乎同時(shí)知道了你在測(cè)量，瞬間會(huì)發(fā)生狀態(tài)改變。愛因斯坦稱這種現(xiàn)象為“鬼魅般的超距作用”。瞧，下面左圖中粒子寶寶A正立，粒子寶寶B倒立;右圖中科學(xué)家讓粒子寶寶A倒立，結(jié)果，粒子寶寶B瞬間正立了。

實(shí)驗(yàn)三：量子隱形傳態(tài)

我們可以從圖中看出量子信息通過糾纏的方法傳遞出去，因?yàn)閭鬟f的是一串密鑰，所以又稱隱形傳態(tài)。第三個(gè)實(shí)驗(yàn)就是要驗(yàn)證地面到衛(wèi)星相距上千千米來傳遞信息是不是可行。

值得慶祝的是，不久前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等和奧地利維也納大學(xué)塞林格小組合作，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)。

這正是“墨子號(hào)”需要去驗(yàn)證的量子力學(xué)基本原理——量子糾纏。如果把糾纏的一對(duì)光子分離得很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，它們還會(huì)“彼此感知”嗎？科學(xué)家把實(shí)驗(yàn)室搬上太空，讓“墨子號(hào)”給地球發(fā)送糾纏光子，以此檢驗(yàn)這么遠(yuǎn)的距離，這個(gè)物理原理是否有效。

目前，“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星圓滿實(shí)現(xiàn)預(yù)定的三大科學(xué)目標(biāo)。未來，量子世界還有更多奧秘，等待同學(xué)們?nèi)W(xué)習(xí)和探索。

問題1：量子、粒子、光子是什么？

首先我們來認(rèn)識(shí)粒子。我們?cè)诔运臅r(shí)候知道切開分享，那水果可以不停地分下去嗎？答案是肯定的，所有的物質(zhì)都是由很小很小的“顆?！苯M成的，這就是原子。原子還可以再分嗎？當(dāng)然?？茖W(xué)家通過撞擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了更多的“小顆?！保@些比原子還小的顆粒，就叫粒子了。

而量子這個(gè)概念最早是德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出的，他發(fā)現(xiàn)能量是一份一份的，能量有一個(gè)最小單位，不可再分。后來科學(xué)家進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)很多粒子的物理量都具有量子性，簡(jiǎn)單說，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。

而光子其實(shí)叫光量子，它就來源于平常所見的光，只是到微觀層面，光也表現(xiàn)出不連續(xù)的特點(diǎn)，一份一份的。

問題2：科學(xué)家是怎么給我們打電話的聲音加密的？

舉個(gè)例子，我們約定用“A”表示“你”，“B”表示“好”，那當(dāng)我說“AB”時(shí)，你就明白我說的是什么了，這就是加密的過程。當(dāng)我們的聲音被電話轉(zhuǎn)變成電信號(hào)和數(shù)字信號(hào)后，計(jì)算機(jī)會(huì)把這些信號(hào)通過專門的規(guī)則（在數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里我們叫算法）變成一段大家都看不懂的信息，只有制造和接受信息的人才能夠通過秘鑰使信息“現(xiàn)原形”。

問題3：量子力學(xué)的世界到底有什么神奇的？

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，以普朗克、愛因斯坦、玻爾等為首的物理學(xué)家們紛紛注意到了微觀粒子世界的量子特性，從而開啟了神奇的量子力學(xué)大門。簡(jiǎn)單來說，微觀世界的能量都是一份一份的，不可再分，就像我們上樓的臺(tái)階一樣，你只可能一步一個(gè)臺(tái)階上樓，不可能上半個(gè)臺(tái)階。另外，測(cè)量會(huì)對(duì)粒子發(fā)生影響，也就是說一旦測(cè)量，粒子（如光子）的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化。量子秘鑰就是利用這種原理來分發(fā)不可被測(cè)量的光子的。

問題4：“墨子號(hào)”能接收到其他星球發(fā)出的信息嗎？

其他星球未必會(huì)發(fā)出信息，不過有些恒星確實(shí)不斷發(fā)出脈沖信號(hào)，但不一定需要用“墨子號(hào)”來研究。目前，我國(guó)的“墨子號(hào)”設(shè)計(jì)的目的，主要用來開展星地的量子通信實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，我國(guó)也有太空探測(cè)器，比如說“悟空號(hào)”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，它可以探尋暗物質(zhì)存在的證據(jù)，研究暗物質(zhì)特性與空間分布規(guī)律。