兩千多年前，墨子在《經說下》中寫下“光之人，煦若射。”這一句，并意識到“光沿直線傳播”這一現象。
兩千多年后，2016 年 8 月16 日，以“墨子”命名的量子科學實驗衛星“墨子號”升空，將利用“光”繼續書寫人類信息傳輸的未來。
如今，設定使用壽命僅 2 年的“墨子號”，已經在軌道上運轉 6 年時間，更是超額完成了不少拓展科研任務。
很多人可能看到“量子”兩個字就滿頭疑惑，到底什么是量子？“墨子號”量子科學實驗衛星進行了哪些工作？它又和“量子”有什么聯系？別急，讓我們一個一個了解它們的秘密。
重點一
什么是量子？
在生活里，我們可能經常會聽到“遇事不決，量子力學”這句話，也經常會看到如“量子速讀”這種打著“量子”旗號的偽科學，那么“量子”具體是什么？
這一問題其實不難理解。我們生活中的一切物體，都有構成其自身的最小單元，比如構成“水”的最基本單元是“水分子”。光也是如此，我們從一根激光筆中射出一束光線，將這束光線進行細分，分到的最基本單元就是“光子”。我們把構成物質世界的最基本單元，就叫做“量子”。“墨子號”在進行實驗時使用的“量子”，就是“光量子”，即“光子”。
重點二
“墨子號”都進行了哪些實驗？
在回答這個問題前，我們先來聊聊大家比較熱衷的“網購”這件事。
在手機還沒有被開發出掃指紋、刷臉驗證之前，我們網購下單時總需要在屏幕上輸入支付密碼，可能大部分人都考慮過一件事：萬一我的密碼被人截獲了怎么辦？確實，不僅是我們的支付密碼，所有從 A 地到 B 地傳送的通信信息，都有可能在中途被截獲、破解，造成我們的信息泄露。
此刻可能有人就會想到，那么我們制作一個密碼本，把我們發出的支付密碼等信息先進行加密，然后在接收時候利用同一個密碼本進行解密，這樣不就可以完成信息加密了嗎？道理是沒錯，但遺憾的是密碼本可能會被破譯甚至直接被盜取，這樣一來加密也就沒有任何作用了。
那難道就沒有完全安全的加密方法了嗎？別急，不要忘了我們今天的主角——“墨子號”。
“墨子號”的誕生，一個重要的使命就是為了保障通信安全。傳統的密碼本不夠安全？沒關系，我們用量子技術生成一個“密碼本”，這個“密碼本”足夠隨機，而且一旦被第三方截獲就會被通信雙方知曉。
作為量子科學實驗衛星，“墨子號”有三個重要實驗要完成：千公里級量子密鑰（yuè）分發、千公里級星地雙向量子糾纏分發，和千公里級地星量子隱形傳態。在完成了這三大既定科學目標后，“墨子號”還開展了多項有重要意義的拓展實驗，不斷實現新的突破。
看到這些“量子”又要眼前一黑了？別緊張，它們其實并不難理解，讓我通過墨子號的這三大既定科學實驗來講給你聽。
重點三
量子密鑰分發是在做什么？
它有什么用？
剛才我們說到，為了保證真正的通信安全，需要用到量子技術來制作“密碼本”。“墨子號”的量子密鑰分發任務就是利用“墨子號”這顆衛星，通過從太空往地面發送一個個光子，來生成“密碼本”。
那么這一個個光子，是如何形成“密碼本”的呢？想了解這一問題，我們首先要學習一些關于光子的知識：
- 偏振：光子可以在某個方向上振動，叫做“偏振”，光子的偏振根據角度不同可以分為多種，但在這里我們只需要了解其中四種方向：↑ 和 →（即偏振角度 0° 和 90°）、↗ 和 ↘（即偏振角度 45° 和 135°）；
光子偏振的幾種形式，每個光子的偏振夾角為 180°，所以漫畫中 135° 光子偏振雖然為“↖”，但其實和“↘”是等價的。圖片來自墨子沙龍。
- 觀測：在接收光子時，會利用一副“特制墨鏡”對這些光子進行觀測。這副墨鏡正著擺放的時候，形態像“+”一樣，可以允許 ↑ 和 → 偏振的光子通過；傾斜擺放的時候，形態就像“×”，可以允許 ↗ 和 ↘ 偏振的光子通過；
- 比特：科學家規定，用“+”觀測后，獲得 ↑ 偏振的光子則代表比特“0”，獲得 → 偏振的光子則代表比特“1”；同樣，用“×”觀測后，獲得 ↗ 偏振的光子則代表比特“0”，獲得 ↘ 偏振的光子則代表比特“1”；
- 不確定性：但是，光子比較特殊。即便是 ↑ 和 → 偏振的光子，也可以通過傾斜擺放的“×”墨鏡（↗ 和 ↘ 也同樣可以通過“+”）。比如，硬擠進 “×” 的 ↑ 偏振的光子 ，出來后就會變成 ↗ 或 ↘，但具體是哪個？別問，概率都是 50%，具體不清楚。
如果你還是暈暈的，那下面這個表格會讓你更清晰一些：
了解了這些規則后，我們就可以開始著手發送光子、進而制作“密碼本”這件事了，步驟如下：
- 首先，發送者會隨機生成一串比特密碼，比如是：01001011；
- 隨機選擇一種觀測形式（“+”或“×”）；
- 根據隨機產生的比特以及觀測形式，來制備一個偏振光子，例如：當隨機產生的比特是 0，觀測方式是“+”時，就制備出 ↑ 偏振的光子；當隨機產生的比特是 1，觀測方式是“×”時，就制備出 ↘ 偏振的光子；
- 然后將光子發送給接收者；
- 接收者接收到這些光子后，再隨機選擇一個觀測形式“+”或“×”對接收到的光子進行觀測，獲得觀測結果。
- 最后，發送者和接受者再打個電話溝通一下他們各自的觀測方式，將相同觀測方式時的結果保留下來，其他的舍棄，就可以獲得一個完全隨機產生的、安全的初始“密碼本”了。
這是一項充滿了“隨機”的工作。
我們也看到了，接收者如果使用了“+”對“↗”進行觀測，便會獲得兩種結果，即：對光子進行觀測后，會使光子的偏振發生改變。這樣，中途如果有第三者對光子進行截獲，那么一旦使用了“錯誤”的觀測方式，就會讓光子的偏振產生改變。從而接收者和觀察者通過“對答案”（這次是交流部分初始“密碼本”）就能發現問題，舍棄這次生成的“密碼本”。
如此一來，獲得的“0100”這串密碼，就是雙方生成的一次性量子“密碼本”。
以上，便是“墨子號”所進行的量子密鑰分發這項實驗所使用的方法之一。這種方法名為 BB84 協議，是 1984 年，查理斯·本內特（Charles Be.NETt）和吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）所提出的一種方法。這種方法可以有效發現通信中出現的竊聽情況，從而立刻關閉通信，并重新進行新的量子密鑰分發。
由布拉薩德和本奈特提出的 BB84 協議。圖片來自墨子沙龍。
2017 年 8 月，升空一年后的“墨子號”在國際上首次成功實現千公里級星地量子密鑰分發實驗。后來，“墨子號”還基于另一種量子密鑰分發協議 E91 實現了無中繼千公里級的量子保密通信。這為后續構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。
重點四
量子到底在“糾纏”什么？
量子糾纏分發又是在做什么？
提到“糾纏”你會想到什么？兩個人之間的心心相印？情侶之間的心有靈犀？沒錯，在兩個量子之間也存在 “心有靈犀”，科學家把量子之間的這種“心有靈犀”式的聯系，稱為“量子糾纏”。
兩個存在量子糾纏的光子，圖片來自墨子沙龍
在量子力學中有這樣一個神秘的名詞：疊加態，即對于一個量子，在沒有觀測它的時候，它可能是兩種狀態的疊加；而一旦對疊加態的量子進行觀測，量子疊加態就會坍縮成其中一個狀態。引用一個經典例子就是薛定諤那只既“死”又“活”的貓，被關在密閉容器里的貓身上疊加著“死”和“活”兩種狀態，這便是貓的“疊加態”；而我們一旦打開盒子，貓的疊加態就會坍縮，我們就可以知道貓到底是“死”是“活”。
而量子糾纏，是兩個量子的組合的某種奇特的疊加態，它們之間“冥冥中自有定數”——一旦其中一個量子被觀測，另一個量子的狀態也會立刻被知曉。再次用貓咪舉例便是：我有兩只被關在密閉盒子里的貓，它們都處在“生”或“死”的疊加態，而且它們是“糾纏”在一起的，即如果我打開一個盒子，看到了一只疊加態坍縮為“死”的貓，那么另外一個盒子里的貓的疊加態也會坍縮，而且一定坍縮為“生”。
這種量子糾纏是不受距離限制的，是“非定域性”的。即便是一只貓在地球上，另一只貓在宇宙的另一角，這種奇特的聯系仍然會瞬時發生。愛因斯坦將這種跨越空間的量子糾纏現象稱為“鬼魅的超距作用”，他對此感到憂心忡忡，轉而提出“定域隱變量理論”來解釋這種神奇的聯系。
為了驗證孰對孰錯，物理學家貝爾提出了一個不等式和一個實驗方法，如果實驗結果符合不等式，那么就支持愛因斯坦的“定域性”理論；如果實驗結果違背了不等式，則駁斥了愛因斯坦的“定域性”理論。
可惜，實驗結果并沒有站在愛因斯坦這邊，量子力學中的這種“鬼魅的超距作用”是真實存在的，量子糾纏確實是“非定域性”的。實驗是檢驗真理的唯一標準，真理來自于嚴密的實驗結果，即便提出反對的是愛因斯坦。
實驗結果表明，這次愛因斯坦錯了。圖片來自墨子沙龍
直至今日，許多科學家仍然在進行著貝爾提出的這個量子糾纏實驗：將兩個糾纏態量子放在足夠遠的距離，隨后進行觀測，看看得出的觀測結果是否符合貝爾不等式。同樣，我國也在云南麗江和青海德令哈兩個地面站之間進行了量子糾纏實驗，并且是全世界最遠——相距 1200 千米的量子糾纏實驗。
“墨子號”的作用，就是在太空中向這兩個地面站發射一對糾纏的量子。這個實驗的成功，為將來我國基于量子糾纏的量子保密通信打下了基礎。2020 年，墨子號實現了基于糾纏的千公里級量子保密通信。
通過“墨子號”衛星進行量子糾纏分發，來驗證貝爾不等式。圖片來自墨子沙龍。
重點五
量子隱形傳態是什么？
可以實現遠程物質傳輸嗎？
在回答這個問題前，我們先來看一個異地戀小故事：
有一對情侶 A 和 B，其中 B 比較惡毒，但雙方依然進行著異地戀，相互“糾纏”。同時，他們有兩個共同的朋友 C 和 D，分別在兩地觀察著 A 和 B。
有一天，A 遇到了 X，X 不像 B 那么惡毒，很友善，于是 A和 B 斷絕“糾纏”，和 X 在一起，開始一種新的“糾纏”。
此時朋友 C 觀察到了這一事件，拍了照片告訴了朋友 D，D 看了照片之后，對 B 進行了一些友誼上的教育，B 被教育后幡然醒悟，棄惡從善，從此也變成像 X 一樣變成了一個善良的人。
在這個例子里，我們可以將 A 和 B 作為兩個糾纏的量子，C 和 D 分別為 A 和 B 所在位置的科學家，而 X 則是未知量子態，科學家希望通過“量子隱形傳態”的方式將這一未知量子態傳送到B上。
整個傳輸過程中，量子 X 本身并沒有被傳送 ，而是 X 的狀態被傳送到了B上——正如異地戀例子里 X 善良的狀態傳給了 B，從而讓 B 的狀態也從“惡毒”變成了“友善”。
這便是“量子隱形傳態”。不過要注意的是，在“量子隱形傳態”時，A 和 B 的糾纏消失，和 A 和 X 產生新的糾纏，幾乎是同時發生的。
你會發現，在“量子隱形傳態”中，只是把量子 X 的狀態進行了傳輸，而粒子本身并沒有被傳送。這和科幻作品中的物質遠程傳送有很大區別，想將物體通過量子技術從 A 地傳送到 B 地，目前來看還不現實。
重點六
“墨子號”到底能為我們做什么？
如果你看到這里，那么恭喜你，你已經基本了解了“墨子號”量子科學實驗衛星所承載的三項主要科學實驗是什么了。不過這時你可能會問：這三個實驗，對我又會有什么影響呢？
每一個新理論的發現和新技術的實現，從根本上都代表著人類對未知世界邁出新的一步。“墨子號”是我國最先進的量子通信技術結晶，在國際上也是領先水平。量子通信技術已經開始出現在民用和商用領域，在未來，更加成熟的量子通信技術將會更廣泛地應用在通信、金融、國防等諸多方面。
本文由科普中國與墨子沙龍聯合出品。
本文題圖來自 Science。
