细解“墨子”：量子界的洪荒之力

　　出品：科普中国

    制作：中国科普博览

    监制：中国科学院计算机网络信息中心

    近日，我国成功发射了世界上首枚量子通信卫星“墨子号”，并且伴随着地面 “京沪干线”的建设完成，将首次实现“天地一体化”的量子通信网络的构建，真正奠定了中国在量子通信领域“老大哥”的地位。
　　“墨子号”的升空绝对称得上是量子通信领域的大事件，有一种拿了金牌的民族自豪感。
　　但是，作为一个自豪的中国人，你真的明白自己在骄傲些什么吗？
　　量子通信这个神秘感十足的词汇到底包含多少你不懂的“冷知识”？在享受着中国科研扬眉吐气般喜悦的同时，我们也深深地感受到来自量子世界的“洪荒之力”，这必定是一个超乎想象的奇妙世界，也是一个很多人不了解的神秘世界。
　　那就让量子通信领域的大咖——中国科学院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟，带我们走进神奇的量子世界。

图1中国科学院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟

“量子”为何物
　　量子是构成物质的最基本单元，能量的最基本携带者 ，不可分割。以我们最熟悉的“光量子”为例，作为光能量的最小单元，不存在“半个光子”。光的能量都是以光量子的能量为单位逐份变化的，并且这种变化不是连续的。在量子物理学的理论体系中，大多数物理量的值都是不连续、离散式地变化的。
　　这样的观点在提出之初是难以为人所接受的，因为它与经典物理学中物理量都是连续变化的观点是截然不同的。然而，大量的实验事实让科学家们逐渐接受了这一新的理论，并且归纳总结出诸如“量子叠加态原理”、“概率性测量原理”等，建立了现在的量子物理科学。

图2 量子理论之父普朗克

给你一个“绝对”安全的理由
　　从摩斯电码到电报、传真，从移动电话到网络通信，通信技术的发展在为人类提供便利的同时也带来了通信安全的隐患。但是量子通信技术的出现，就能够完美地解决信息传输过程中的安全问题，真正做到“绝对”安全。那么实现绝对安全的理由是什么呢？潘建伟做出了如下的解答。
　　量子通信作为绝对安全的信息传送方式，主要体现在光量子的不可分割性上。由于光量子的不可分割性，所以在单光子发射的情况下，窃听者无法采用将光子分成两半，一半用于获得密钥，一半传输给接收方的方式避免被发现。同时，光量子还具有无法克隆性，因为光子是无法准确测量的，所以更无法被窃听者复制，即无法通过准确测量光子，克隆出一个一模一样的光子从而获取信息。换句话说，在量子通信传输信息的过程中，一旦信息被窃取，就一定会被发现。
　　另外，随着计算机运算性能的不断提高，以及量子计算机的研制与发展，经典传统的公钥算法(RSA)受到冲击。相较于只能依靠密码长度和复杂性保证安全性的RSA算法而言，量子通信可以真正做到“一次一密”，从而真正实现密码无法被破译。这也是量子通信技术能够实现“绝对安全”的重要理由。

图3 量子通信概念图

神奇的力量——量子纠缠
　　量子纠缠现象是量子科学领域最古怪但也是最神奇的性质之一，因为它能够产生“幽灵般的超距离互动”。毫不夸张地讲，也许未来人类能够利用量子纠缠这一特殊性质真正实现“瞬间移动”。那这种性质究竟有怎样的奇妙之处呢？
　　想要理解量子纠缠有多么的诡异，我们通过电子的自旋这一典型的例子来解释。电子的自旋与实际物体的旋转有着巨大的不同，其旋转的状态总是不确定的，直到观测的某个瞬间才能够确定。而量子纠缠理论认为，假设有两个相互纠缠的电子对，即使它们一个在地球一个在月球，二者之间没有任何传输线相连。如果你在某个时刻观测到其中一个的自旋状态，那么另一个电子在同一时刻的自旋状态也会相应的发生变化。也就是说，如果你对其中一个粒子进行观测，那么你不止是影响了它，你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴，而且这与两个粒子间的距离无关。
　　二者之间存在的这种奇妙的互动就是量子纠缠，也曾被爱因斯坦称作“幽灵般的超距离互动”。所以，在量子纠缠的帮助下，我们可以将另一个粒子的未知量子态传送到遥远地点，而不用传送这个粒子本身。利用这种诡异的互动，人类也许可以在未来实现科幻电影中的“瞬间移动”。

图4 量子纠缠现象

　　量子科学的世界充满了经典物理学无法解释的神奇现象，但是科学家们正在通过不懈的努力一一验证这些听起来荒谬的理论。
　　作为量子力学的重要应用，近年来量子通信的飞速发展大大增加了人们对于量子科学的信心；作为量子通信领域的技术强国，中国正在用实力证明，人类渴望的绝对安全通信的梦想即将成为现实。