宗禾君

量子衛(wèi)星“墨子號”的獨門絕技

8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。

量子科學，對絕大多數人來說十分高冷。但當它與信息技術相連，就與我們每個人息息相關。當今社會，信息的海量傳播背后也充斥著信息泄露的風險。而量子科學則為信息安全提供了“終極武器”。

量子衛(wèi)星首席科學家、中國科學技術大學教授、中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心主任潘建偉院士介紹，量子通信的安全性基于量子物理基本原理，單光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復制性保證了信息的不可竊聽和不可破解，從原理上確保身份認證、傳輸加密以及數字簽名等的無條件安全，可從根本上、永久性解決信息安全問題。

那么，量子衛(wèi)星具體將會在哪些方面給我們的生活帶來影響呢？“瞬間移動”、“信息絕密”真的可以實現(xiàn)嗎？潘建偉院士將對這些問題進行一一解答。

問題1：量子究竟是什么？

量子是構成物質的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小單元，不存在“半個光子”，同理，也不存在“半個氫原子”“半個水分子”等等。量子世界中有兩個基本原理：

——量子疊加，就是指一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。著名的“薛定諤的貓”理論曾經形象地表述為“一只貓可以同時既是活的又是死的”。

——量子糾纏，類似孫悟空和他的分身，二者無論距離多遠都“心有靈犀”。當兩個微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應改變。

問題2：世界上真有“絕對安全”的通信嗎？

這得先說說通信中信息是如何被竊取的。傳統(tǒng)光通信是通過光的強弱變化傳輸信息。從中分出一丁點光并不影響其他光繼續(xù)傳輸信息，測量這一丁點光原理上就能竊取信息。

量子通信則完全不同！竊聽者如果想攔截量子信號，并對其進行測量，將不可避免地破壞攜帶密鑰信息的量子態(tài)。根據量子“測不準定理”，這種破壞必然會被信息發(fā)送者和接收者所發(fā)現(xiàn)。

是否可以不破壞傳輸的量子態(tài)，只截取并復制，再繼續(xù)發(fā)送？這已被“量子不可克隆定理”完全排除，于是也就保證了量子通信的絕對安全。

問題3：量子科學和技術究竟將帶來一個怎樣的未來？

量子科學和技術其實已經在方方面面影響著我們的日常生活。我們目前正在廣為使用的計算機、手機、互聯(lián)網、時間標準和導航，包括醫(yī)院里的磁共振成像等等，無一不得益于量子科學和技術。

用發(fā)展的眼光看，隨著微納加工、超冷原子量子調控等技術的不斷進步，人類將能夠制備出越來越復雜、功能越來越強大的各種人造量子系統(tǒng)，例如包括量子計算機芯片在內的各種量子電路，其功能和信息處理能力將遠遠超過我們目前正在使用的經典芯片，并且更加節(jié)能；再如可望制備出達到量子極限的能量收集和轉換器件，將引發(fā)能源變革；也有望大幅提升對時間、位置、重力等物理量超高精度的測量，不僅實現(xiàn)超高精度的潛艇定位、醫(yī)學檢測等，也將加深對物理學基本原理的認識。

總之，量子科學和技術的廣泛應用最終將把人類社會帶入到量子時代，實現(xiàn)更高的工作效率、更安全的數據通信，以及更方便和更綠色的生活方式。

問題4：量子技術什么時候才能“飛入尋常百姓家”？

量子通信目前已經實現(xiàn)在金融、政務系統(tǒng)等中的使用。要讓每個人都用上，樂觀的話需要10到15年。這需要對網絡基礎設施進行改造，還涉及到標準制定。到時候，個人的網上銀行、手機支付、信用卡等就再也不怕被盜號，“棱鏡門”那樣的泄密事件也不會發(fā)生了。

而量子計算目前仍然處于基礎研究的階段，前進道路上還面臨著巨大的挑戰(zhàn)，不知道在二三十年的時間內能否實現(xiàn)初步應用。一旦取得進展，其意義將是極其重大的。這需要一個過程，依賴于量子通信網絡的建設，應用成本也會逐漸下降。

問題5：“量子態(tài)隱形傳輸”意味著能實現(xiàn)《星際迷航》里的瞬間移動嗎？

“量子態(tài)隱形傳輸”是基于量子疊加和量子糾纏的特性，使甲地某一粒子的未知量子態(tài)，可以在乙地的另一粒子上還原出來。其實傳輸的是粒子的量子態(tài)，而不是粒子本身。這種狀態(tài)傳送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬間移動”。

現(xiàn)在，在光子、原子等層面已經實現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸。電影里“大變活人”在原理上是允許的，但目前還遠遠做不到。因為科幻電影里人的傳送，不僅需要把人的實體部分的大量原子、分子傳送，并且嚴格按照原來的相對位置重新排列起來，更何況重現(xiàn)意識和記憶就更復雜了。

不過，隨著科學的發(fā)展和技術的進步，也許未來我們還是可以實現(xiàn)人的量子態(tài)隱形傳輸，到那時星際旅行就不是夢啦。

看完潘院士的回答，你有沒有對這顆意義非凡的量子衛(wèi)星更加了解了呢？讓我們一起為這顆將在未來給人類社會帶來巨大影響的衛(wèi)星喝彩！

摘編自 微信公眾號“中國軍網”