不久前我看到了潘建偉院士談了墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的新聞，但我發(fā)現(xiàn)大多數(shù)人，也包括我，對(duì)墨子號(hào)衛(wèi)星到底在做啥并不太了解。所以我就稍微研究了一下，給大家科普一下墨子號(hào)衛(wèi)星。

首先，我發(fā)現(xiàn)普遍對(duì)量子計(jì)算和量子通信技術(shù)有兩大錯(cuò)誤觀念：一種是極端迷信派，把量子物理的應(yīng)用吹得神乎其神，什么超光速瞬移，心靈感應(yīng)等等都來(lái)了。另一種是極端反對(duì)派，認(rèn)為有“量子”兩個(gè)字的研究就是偽科學(xué)，騙經(jīng)費(fèi)，騙錢(qián)。

很明顯這兩種偏激觀念都是錯(cuò)誤，而偏激往往來(lái)源于無(wú)知。所以讓我們就學(xué)習(xí)一下墨子衛(wèi)星的一些知識(shí)，你就能正?？创?/p>

墨子號(hào)衛(wèi)星的全稱是“墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，在2016年8月16日1時(shí)40分，于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心搭載長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭發(fā)射升空，成為全球第一顆設(shè)計(jì)用于進(jìn)行量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的衛(wèi)星。它的實(shí)驗(yàn)任務(wù)有許多，但主要的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)就是量子秘鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是為了實(shí)現(xiàn)將來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)于量子秘鑰分發(fā)，我們需要簡(jiǎn)單學(xué)一點(diǎn)密碼學(xué)和量子糾纏的知識(shí)。我們都有這樣的經(jīng)驗(yàn)，很多網(wǎng)站開(kāi)始使用手機(jī)發(fā)送驗(yàn)證碼的方式登錄，而不是讓用戶輸入用戶名密碼。我們會(huì)感覺(jué)這種手機(jī)驗(yàn)證碼要比固定的密碼安全些，因?yàn)槭謾C(jī)驗(yàn)證碼是一次性使用，而且有效期很短。

借鑒這種模式，我們可以這樣實(shí)現(xiàn)加密通信。比如你要傳一個(gè)比如16位2進(jìn)制數(shù)給在在遠(yuǎn)方某處另一個(gè)朋友。這個(gè)16位2進(jìn)制數(shù)可能是你的工資，你希望嚴(yán)格保密，不被任何人竊聽(tīng)。有個(gè)加密辦法就是你自己另外產(chǎn)生一串16位2進(jìn)制數(shù)，將你的工資額的16位二進(jìn)制數(shù)與這個(gè)隨機(jī)16位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行一次“異或”操作（寫(xiě)作XOR或），這樣就起到了加密作用。

“異或”是一種計(jì)算機(jī)科學(xué)中的2進(jìn)位的運(yùn)算，它的運(yùn)算規(guī)則是：兩個(gè)不同的二進(jìn)位進(jìn)行異或預(yù)算結(jié)果為1；相同的二進(jìn)位的異或運(yùn)算結(jié)果為0。

那么你稍微驗(yàn)算下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果某個(gè)2進(jìn)位對(duì)另一個(gè)2進(jìn)位數(shù)連續(xù)進(jìn)行兩次異或，總能還原到原來(lái)的數(shù)字。

所以能看到，如果我們把某個(gè)二進(jìn)制串作為秘鑰，只要通信雙方同時(shí)持有這個(gè)二進(jìn)制串。那么發(fā)送方只要把發(fā)送的信息與這個(gè)秘鑰進(jìn)行一次異或操作就起到了加密作用，接收方接收到這個(gè)密文后，將密文與秘鑰再進(jìn)行一次異或，就起到了解密作用。

當(dāng)你把自己的工資數(shù)額與一串16位隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行異或操作后，你就可以隨意的把結(jié)果發(fā)送給任何人，而不擔(dān)心泄密?，F(xiàn)在的問(wèn)題就是如何把你的這串16位二進(jìn)位發(fā)送給對(duì)方，以便對(duì)方解密。發(fā)送這串秘鑰才是重大的需要嚴(yán)格保密的任務(wù)了。

那么如果有一種機(jī)制，能夠持續(xù)穩(wěn)定地，給處于不同地點(diǎn)的雙發(fā)提供安全、可靠且相同的隨機(jī)二進(jìn)位，那么通信雙方就可以用這些二進(jìn)位作為秘鑰通信。

理想情況下，這種二進(jìn)位需要持續(xù)不斷的快速發(fā)送，使得通信雙發(fā)不用重用任何二進(jìn)位，每一位信息都用新的隨機(jī)位加密，那這這種加密方式就是密碼學(xué)中理論上最安全的一種秘鑰，稱為“一次性秘鑰”（one time padding)。而要實(shí)現(xiàn)的這種加密通信的關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)“秘鑰分發(fā)”。

那我們?cè)倏纯础傲孔蛹m纏”。量子糾纏的一個(gè)基本圖像就是，遠(yuǎn)在兩處的兩個(gè)粒子，它們可以處在一種稱為“糾纏態(tài)”的狀態(tài)。處于糾纏態(tài)的粒子，如果你對(duì)其某種屬性進(jìn)行測(cè)量，你會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果會(huì)有某種相關(guān)性。

這種相關(guān)性比較為人熟知的一點(diǎn)是：如果你對(duì)一對(duì)糾纏量子的自旋方向進(jìn)行測(cè)量，如果兩邊測(cè)量方向一致，那么測(cè)量結(jié)果就會(huì)相反。

而其實(shí)如果測(cè)量方向不一致，測(cè)量結(jié)果仍然會(huì)保持特定的相關(guān)性。奧妙的是，這種相關(guān)性是經(jīng)典世界所不能模擬和解釋的。有關(guān)這方面內(nèi)容可以聽(tīng)我之前的一期節(jié)目：“兩個(gè)天才搗蛋的學(xué)生”。

這其實(shí)是一種相當(dāng)有神秘感的特性。它突破了人們認(rèn)為的經(jīng)典世界中物質(zhì)作用所必須滿足的運(yùn)行規(guī)則之一：“定域性”，即物質(zhì)之間的信息傳播速度。另外兩個(gè)規(guī)則是“實(shí)在性”和“因果律”。而量子的有些性質(zhì)似乎也突破了“實(shí)在性”，比如對(duì)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的解釋。目前唯一能守住的就是“因果律”，如果因果律也突破了，那么宇宙秩序就亂套了。

不管怎樣，你可以發(fā)現(xiàn)量子糾纏就是一種很好的秘鑰分發(fā)機(jī)制。只要給通信雙方持續(xù)發(fā)送糾纏粒子，然后雙方按某個(gè)約定好的方向測(cè)量粒子自旋方向，那么雙方會(huì)拿到相反的測(cè)量結(jié)果。只要事先約定測(cè)量結(jié)果表示為0，另一個(gè)結(jié)果為1，某方再翻轉(zhuǎn)下結(jié)果，那么雙方就能持續(xù)拿到相同的隨機(jī)二進(jìn)位。

如果中途有人截取進(jìn)行測(cè)量，則有一方無(wú)法得到結(jié)果或測(cè)量結(jié)果與對(duì)方對(duì)不上（導(dǎo)致后續(xù)解密失敗），從而可以察覺(jué)到中途的竊聽(tīng)行為。

以上這種利用量子糾纏性質(zhì)的秘鑰分發(fā)方案稱為“基于糾纏態(tài)的協(xié)議”。還有一種不利用糾纏態(tài)的量子分發(fā)協(xié)議，稱為“基于制備和測(cè)量的協(xié)議”（比如BB84，下一期節(jié)目再詳細(xì)介紹）。墨子號(hào)衛(wèi)星使用的是基于糾纏態(tài)的協(xié)議。

此次墨子號(hào)衛(wèi)星的一個(gè)實(shí)驗(yàn)是，向位于新疆南山和青海德令哈的兩處接收站，以每秒2對(duì)的速率分發(fā)糾纏光子，進(jìn)行秘鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)。最終的秘鑰生成速率為0.12比特。這個(gè)速率雖然比較低，但是在兩處距離超過(guò)1000公里的位置進(jìn)行量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，目前還是紀(jì)錄。

《自然》雜志審稿人稱贊該工作：“展示了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，......這是朝向構(gòu)建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步，我的確認(rèn)為不依賴可信中繼的長(zhǎng)距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)里程碑”。

(《自然》雜志曾以墨子號(hào)衛(wèi)星做封面圖)

再說(shuō)說(shuō)很有科幻色彩量子隱形傳態(tài)，量子隱形傳態(tài)的英文是“quantum teleportation”，而telepotation在很多小說(shuō)和游戲的中文名稱就叫“傳送門(mén)”。

量子隱形傳態(tài)協(xié)議1993年由6位科學(xué)家在一篇論文中共同提出，其中的兩位就是提出BB84協(xié)議的科學(xué)家。隱形傳態(tài)的效果是，將本地某個(gè)量子的某個(gè)屬性，復(fù)制到遠(yuǎn)方的某個(gè)量子上，使得遠(yuǎn)處的那個(gè)量子在那個(gè)屬性上有與本地量子相同的物理表現(xiàn)，這個(gè)屬性術(shù)語(yǔ)稱為“量子位”，或者“量子比特”。

通常，我們電腦上的比特位傳送必須通過(guò)某種通信介質(zhì)，不管有線還是無(wú)線，光速的是一個(gè)無(wú)法逾越的上限。而在隱形傳態(tài)中，量子的傳送利用了糾纏例子的超距作用，似乎是瞬間向遠(yuǎn)方復(fù)制了量子位，所以有點(diǎn)像傳送門(mén)效果。

但要注意的是傳送的是量子屬性，并不是粒子本身的傳送，所以會(huì)有超光速運(yùn)動(dòng)。而后面你也會(huì)看到隱形傳態(tài)如果要實(shí)現(xiàn)信息傳遞，通信雙方還需要用傳統(tǒng)信道交換信息，所以同樣不會(huì)出現(xiàn)超光速信息傳遞的效果。

量子隱形傳態(tài)的技術(shù)細(xì)節(jié)需要比較復(fù)雜，我給大家找點(diǎn)感覺(jué)。你可以想象你在上海有一個(gè)桌球，你在北京的朋友也有一個(gè)桌球。這兩個(gè)桌球因?yàn)槟撤N機(jī)制，形成了一種時(shí)刻保持動(dòng)量守恒的狀態(tài)，我們就叫它“糾纏的桌球”。兩個(gè)桌球都是黑球，此時(shí)都靜靜地躺在桌球臺(tái)上，總動(dòng)量為0。

有這樣一對(duì)具有神奇性質(zhì)的桌球，我們可以作一些很有意思的事情。比如你在北京的朋友拿了另一個(gè)白色桌球，撞擊他的黑球。此時(shí)，因?yàn)榧m纏的兩個(gè)黑球具有動(dòng)量守恒，位于上海的你，能觀察到，你的黑球突然動(dòng)了起來(lái)。

此時(shí)你知道，北京的黑球肯定被撞了。而且你根據(jù)自己的黑球的動(dòng)量改變量，就能得知撞擊北京桌球的那個(gè)白球在撞擊黑球瞬間的動(dòng)量。從某種意義上來(lái)說(shuō)，北京的白球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被復(fù)制到上海的黑球上了。

但現(xiàn)實(shí)情況不是那么那么簡(jiǎn)單的理想狀態(tài)，“糾纏的桌球”有一個(gè)奇怪的性質(zhì)，我們不能“測(cè)量”它的動(dòng)量，一旦測(cè)量后，桌球的糾纏狀態(tài)就被破壞，不再保持動(dòng)量守恒。還有個(gè)限制是，對(duì)同一地方的兩個(gè)桌球只能總體測(cè)量，而不能單獨(dú)測(cè)量某個(gè)桌球?，F(xiàn)在要如何傳送北京桌球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到上海呢？還是有辦法的。

仍然先讓向北京和上海兩地分發(fā)一對(duì)糾纏的黑色桌球，并且不防假設(shè)它們的總動(dòng)量就是0。但我們不知道它們各自的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，好比它們是放在兩個(gè)封閉的盒子里。現(xiàn)在我們希望把北京的一個(gè)白球的動(dòng)量復(fù)制到上海的黑球上。一個(gè)方法是，將白球丟進(jìn)北京黑球所在的盒子里。這時(shí)白球與黑球會(huì)發(fā)生一些碰撞，北京的黑球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有所改變，我們“推測(cè)”上海的黑球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也有所改變。

但是我們還不能直接打開(kāi)上海的盒子看，因?yàn)樯虾：凶永锏暮谇蜻\(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)你不知道。此時(shí)你直接觀察，你是推測(cè)不出北京白球原來(lái)的動(dòng)量的。這時(shí)需要北京方面先對(duì)他的黑球和白球做一次聯(lián)合測(cè)量，得出一個(gè)總動(dòng)量結(jié)果，把這個(gè)結(jié)果通過(guò)傳統(tǒng)信道發(fā)送給上海。

這時(shí)在上海的你，可以對(duì)你的黑球施加一個(gè)動(dòng)量的變化，變化量就是你收到的動(dòng)量，此時(shí)通過(guò)的簡(jiǎn)單的運(yùn)算（留給各位自己驗(yàn)證），你會(huì)發(fā)現(xiàn)，改變后的黑球的動(dòng)量就應(yīng)該是北京的白球丟入黑盒時(shí)的動(dòng)量，從而你復(fù)制了北京的白球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，接下來(lái)你是否打開(kāi)盒子檢驗(yàn)結(jié)果就不重要了。

以上就是量子隱形傳態(tài)的基本理念，先分發(fā)一對(duì)糾纏粒子到兩地，然后一地對(duì)自己的粒子和目標(biāo)粒子做一次測(cè)量，術(shù)語(yǔ)稱為貝爾測(cè)量（Bell measurement）。測(cè)量結(jié)果只可能是4種結(jié)果中的一種，把測(cè)量結(jié)果通過(guò)傳統(tǒng)信道發(fā)送到另一地。另一地收到結(jié)果后，根據(jù)結(jié)果對(duì)自己的粒子進(jìn)行一次變換，術(shù)語(yǔ)稱為“幺正變換”，此時(shí)這個(gè)粒子就復(fù)制了被遠(yuǎn)地粒子的那個(gè)屬性。

上圖：Nature雜志上有關(guān)前兩字隱形傳態(tài)的說(shuō)明。這項(xiàng)技術(shù)使用了一對(duì)性質(zhì)強(qiáng)相關(guān)的糾纏的光子，其中一個(gè)糾纏光子(藍(lán)色)是在量子隱形傳態(tài)過(guò)程之前分發(fā)給接收者的。然后，發(fā)送者準(zhǔn)備一個(gè)未知量子態(tài)的光子(粉紅色)，并將該光子與第二個(gè)糾纏光子(灰色)組合在一個(gè)稱為貝爾態(tài)分析器的設(shè)備中。該裝置對(duì)兩個(gè)光子的量子態(tài)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，并將結(jié)果作為經(jīng)典(非量子)信號(hào)發(fā)送給接收者。最后，接收者使用這些信息來(lái)轉(zhuǎn)換他們的光子，重建發(fā)送者光子的量子態(tài)。

其本質(zhì)是復(fù)制一個(gè)量子比特，而不是傳送真實(shí)的粒子，并且過(guò)程中需要傳統(tǒng)信道輔助傳送信息，所以不存在超光速運(yùn)動(dòng)或者超光速的信息傳遞。那既然隱形傳態(tài)還是要依賴傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，那它有什么用呢？

這是一個(gè)好問(wèn)題？很多科學(xué)技術(shù)目前沒(méi)有明確的應(yīng)用，但不代表將來(lái)也沒(méi)有。目前來(lái)說(shuō)，量子隱形傳態(tài)是想中的量子互聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。我們知道互聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)基本要求是能把比特位傳輸?shù)礁鞯?，那么如果要?gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)，那就需要一種能將量子位傳送到各地的技術(shù)。雖然隱形傳態(tài)需要依賴傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，但是量子互聯(lián)網(wǎng)的安全性是無(wú)與倫比的，所以它還是有其價(jià)值。

再比如，如果量子計(jì)算機(jī)普及了，也許需要云端量子計(jì)算機(jī)或者分布式量子計(jì)算，那么傳送量子比特也是一項(xiàng)必要的技術(shù)。

墨子號(hào)衛(wèi)星一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是地面與衛(wèi)星間的量子隱形傳態(tài)，我這里引用潘建偉院士的話：

“墨子號(hào)”量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。衛(wèi)星過(guò)境時(shí)與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路，地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，實(shí)驗(yàn)傳送了6個(gè)量子態(tài)，置信度均大于99.7%?！?/p>

這里6個(gè)量子態(tài)意思就是一個(gè)光子可以復(fù)制6個(gè)屬性，也就是6個(gè)量子比特。好比之前的桌球，我不光復(fù)制了動(dòng)量，也復(fù)制了顏色，旋轉(zhuǎn)，材質(zhì)等6個(gè)屬性，一個(gè)光子復(fù)制6個(gè)量子比特，顯然傳送效率大大提高。

好了，以上就是我對(duì)墨子號(hào)衛(wèi)星的兩大基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的介紹，可以說(shuō)，在量子通信領(lǐng)域，中國(guó)是走在世界前列的，也是中國(guó)為數(shù)不多的幾個(gè)處于世界領(lǐng)先的科技領(lǐng)域，我是很希望看到中國(guó)人能在這個(gè)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大，傳來(lái)更多好消息。墨子號(hào)衛(wèi)星其實(shí)還做了其他一些實(shí)驗(yàn)，將來(lái)有機(jī)會(huì)再給大家介紹。

做個(gè)廣告，北京時(shí)間7月11日周六晚上9點(diǎn)，我會(huì)在知乎上開(kāi)一次直播語(yǔ)音講座，講座話題是有關(guān)圖靈機(jī)的。因?yàn)槲抑霸跍?zhǔn)備圖靈機(jī)的節(jié)目時(shí)，發(fā)現(xiàn)圖靈機(jī)相關(guān)話題十分有意思，關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)知識(shí)很多，意猶未盡，所以想用知乎live的形式跟各位聊聊。

http://tinyurl.com/y9xdlsxp

這次直播的預(yù)約鏈接我會(huì)放在節(jié)目介紹里，另外當(dāng)天對(duì)參與直播并提出問(wèn)題的聽(tīng)眾，我會(huì)抽取三名聽(tīng)眾，贈(zèng)送我的書(shū)《老師沒(méi)教的數(shù)學(xué)》各一本，歡迎各位捧場(chǎng)。今天節(jié)目到這里，下期再見(jiàn)！

參考鏈接：

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NzIyNDI1Mw==&mid=402005145&idx=1&sn=4b063916bab37c11e40ec1c90df08f3e&scene=21#wechat_redirect

https://www.weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404008924671010604

https://quantum.ustc.edu.cn/web/index.php/node/351

http://www.cas.cn/syky/201908/t20190819_4710427.shtml

https://www.zhihu.com/question/20138168