一百年前量子革命，國人正在革自己的命，基本沒挨上邊；五十年前量子力學結出碩果計算機，中國正在革列強的命，基本沒得空閑；如今，量子理論步履蹣跚難得寸進，中國終于如火如荼搞起了量子通信！

量子糾纏起源

復習一下量子力學的八卦往事。當年薛定諤為德布羅意湊了個波動方程，提出粒子隨機出現在各位置上，以玻爾為代表的“哥本哈根學派”覺著很有創意，于是大旗一揮：上帝在擲骰子，世界是隨機。以愛因斯坦為代表的“經典物理學派”覺著，小薛步子太大，扯到蛋了，沒本事發現隱藏變量，非說上帝在擲骰子，于是振臂一呼：上帝不擲骰子！

既然物理學家喜歡搖骰子，咱繼續拿骰子做比喻。骰子落定之后，點數便確定了，如果現在開，是大，那么以后開，也還是大，無論什么時候開，大就是大。雖然搖骰子的變量非常復雜，但如果把所有變量都確定，比如碰撞角度、骰子彈性、空氣阻力、月球引力、地球自轉、分子振動……理論上可以預測骰子點數。這就是普羅大眾的認知，也是經典物理學派的主張。

哥本哈根學派的意思是，骰子落定之后，點數仍不確定，現在開是大，待會開就可能是小，不同時間開，大小不一樣，所以沒開之前就叫“疊加態”，點數是隨機的，開大開小的概率按照小薛波動方程計算。把“骰子大小”換成“貓的生死”，就變成了大名鼎鼎的“薛定諤的貓”。

前文說過，所謂衰變就是原子核的分裂，原子核之所以分裂，是因為組成原子核的粒子隨機出現在不同位置上。比如，原子核由A和B兩個粒子構成，AB同時出現就代表原子核沒分裂，AB出現在不同地方就代表原子核分裂，發生了衰變。

如果原子核衰變就觸動開關打破毒藥，弄死貓；如果原子核不衰變，貓就沒事。因為衰變是疊加態，延伸到宏觀世界就把貓的生死也描述成了疊加態。

薛定諤的貓還原回物理表述就是：如果只有一個放射性原子，它是否發生了衰變？

哥本哈根學派認為粒子的行為是隨機的，所以衰變也是隨機的。但是，幾百年的牛爺理論認為，事物都是在規則支配下精密運行的，隨機論讓人無法接受，就好比勤勤懇懇的學生突然發現考試“及格”和“不及格”是隨機的。

愛因斯坦覺得分分鐘就能終結這個話題，于是提出了量子糾纏：假設有2個處于糾纏態的骰子，分別在不同的地方搖，如果兩邊都不開，那么骰子就處于大和小的疊加態，即點數是隨機的，一旦其中一個開出的結果是大，那么另一個就算還沒開，也會瞬間變成小。也就是說，觀察其中一個骰子，會決定另一個骰子的大小，這種瞬間的信息傳遞不符合相對論。愛因斯坦呵呵道：你們總不至于認為世界會這么荒唐吧？

好在那個年代的物理學已經習慣荒腔走板，再出什么奇葩，大家至少不會驚掉下巴。量子糾纏原本是愛因斯坦為經典派請來的打手，結果卻幫著哥本哈根派把經典派揍得鼻青臉腫。薛定諤的貓一路高歌猛進，最終形成了量子信息論！喜歡專業術語的同學，可以搜索關鍵詞，咱就不顯擺這些半懂不懂的冷僻知識了：薛定諤的貓->EPR佯謬->隱變量理論->貝爾不等式->GHZ定理->Mermin->Cabello定理->量子信息論。

2000年開始量子信息理論形成獨立的學科，標志著量子糾纏開始走向應用。

量子糾纏機理

一個字：瞎。

這就好像古人學會燧木取火時，完全不知道燃燒的化學反應式。

量子通信

雖然觀察到了量子糾纏這種“心有靈犀”的關聯，但對于本質機理的兩眼一抹黑，應用肯定是淺層的。其中，量子通信相對靠譜一點點，不過也就是一點點而已。

本僧就以“墨子號”為例，不負責任的胡扯一通。

用于通信的糾纏粒子通常是光子，光子比實物粒子更方便傳播，電子在大氣層里不可能乖乖跑出很遠。

首先在衛星上制造一對糾纏光子，未測量前，誰也不知道兩個糾纏光子誰是1誰是0。我們稱之為“未翻牌狀態”，就好比骰子在打開之前，點數并不確定，處于大和小的疊加態。

然后把這對光子分別發送給兩個地面接收站。

未翻牌的光子很敏感，只要被觀察或測量，一言不合就翻牌。如果敵方監聽了這個光子，那就等于翻了牌，另一個光子就會自動翻牌，同時接收方就接收不到光子，這對糾纏光子傳送失敗，屬于無效信息。

未翻牌的光子才是好光子，翻過牌就只能扔了，然后再制造一對糾纏光子，再發射，直至接收成功為止。

確定雙方都拿到牌了，接著，用特定方法測量糾纏光子，相當于“翻牌”，一旦測量得到一個狀態，那么另一端的光子也會瞬間變成與之對應的狀態。這樣，一個信號就算傳輸完成了。比如這邊測量得到1，那邊就肯定是0。

然后就不斷發牌，不斷翻牌，不斷剔除無效牌。問題來了，因為翻牌前自己也不知道什么牌，所以翻牌后得到的是無規律的信息，比如“小、是、才、學、天、僧”。

那怎樣才能把無意義的信息變成有意義的？需要一組編碼！

某一方根據自己翻牌的情況編碼，再把編碼規則用傳統方法發送給另一方，比如“1、4、6、2、5、3”。注意，這是用傳統方法發送的。

接收方按照這個順序，把原本沒意義的信息按編碼排列，得到一個驚人的事實：小學僧是天才！

通信完成。

注意，量子通信要依靠傳統通信才能完成。整個過程中，“小是才學天僧”這個隨即的信息是通過量子通信（即量子糾纏）完成的，無法破譯，但編碼“146253”是通過傳統通信完成，可以被監聽，只不過僅僅一個編碼被截獲毫無意義。

有規律的信息可以被截獲，不能被截獲的信息沒有規律，但把這兩者結合就能完成量子通信，沒看明白的回頭再捋一遍。

糾纏光子

量子衛星通信的難點在于“制造糾纏光子”和“探測糾纏光子”。

光子的發射方向性很強，不像電磁波是巨大的扇形，所以需要對準接收器。說實話，我到現在都在疑惑，這是如何做到的？你想想，墨子號衛星的速度大約8km/s，在500km高空，同時向相距1200km的青海德令哈站和云南麗江高美古站發射光子，衛星上的糾纏源載荷每秒產生800萬個糾纏光子對，地面站以每秒一對的速度從中分辨出誰和誰是糾纏態。

有人打了個比方：從萬米高空飛行的飛機上，不斷把上億個硬幣準確投入持續旋轉的儲蓄罐狹小的投幣口中，你還得在相距上千公里的兩地，找出哪兩個硬幣屬于糾纏對。

科學史上有許多烏龍事件，意呆利曾在LHC上發現過超光速，美日德的科學家也曾宣稱實現了“冷聚變”（不知道聚變意義的同學出門左拐《核彈從良記》）。不過，中國這次量子通信怎么看都不像是烏龍……好吧，我認個慫：太過先進，無法描述。

相比來說，“制備糾纏光子”這事看起來就和燧木取火一樣簡單了。看過一篇潘建偉老師的博士的文章，關鍵詞：非線性晶體BBO偏硼酸鋇。當光子打在BBO晶體上，有一定比例的光子被劈成兩半，這兩個光子的極化方向是相互垂直的。

所謂的極化方向可以理解為光子振動的方向。我們知道光是一種電磁波，是波就有振動，有振動就有方向，所謂糾纏光子，就是一個豎著振動，一個橫著振動，一個代表1，一個代表0。“翻牌”前，不知道誰是橫的，誰是豎的，翻牌之后發現自己是豎的，那么對方就是橫的，以此代表信息里的1和0。

材料制備才是真正的核心科技，這個晶體貌似中國最拿手，這也是量子通信領先各國的根本保障。

光子劈開前是這樣的：

劈開后形成糾纏光子：

“光子”可以理解為“光束”，光束就是一堆堆的光子，量子通信在形式上和手電筒打信號差不多，你在太空亮手電筒，我在地面數幾長幾短。所以量子通信的弊端非常明顯，比如，光信號的損失，此前國內外地面實驗的量子糾纏分發距離一直停留在百公里量級。再比如，白天背景光線強烈，只能在晚上打信號，遇到雨天霧霾也不行，必須在晴天打信號。還比如，衛星與各地面站距離很講究，打信號的時間窗口目前只有300秒。總的看來，量子通信離成熟應用還是有點距離。

量子光纖

光子可以用衛星傳播，也可以用光纖傳播，這方面的應用其實已經很多了。2004年，奧地利銀行利用量子通訊技術，把一張重要支票被從市長處傳至銀行，2007年，瑞士全國大選的選票結果也采用了量子通信技術。雖然有點扯蛋，但也說明量子通信并沒有想象中那么科幻，可以搜索《量子通信網絡發展概述》這篇文章，把各國情況羅列了一遍。

量子光纖的問題在于傳輸衰減更嚴重，糾纏光子信號又無法復制放大，導致傳輸距離和容量都有限，常年停留在百公里量級。不過光纖好歹不受天氣影響，比衛星更有實用性。

突破距離限制的核心技術在于可信任量子密鑰中繼站，相當于先接收光信號，再把信號放大繼續發送到下一個站點，像接力棒一樣傳遞信息。