“墨子號(hào)”上天忙些啥

Steed++九維空間

115年前，馬可尼發(fā)出第一個(gè)越洋無(wú)線電信號(hào)的那一天，什么都沒有改變。沒有人能預(yù)計(jì)到接下來(lái)100年間通信會(huì)把這個(gè)世界變成什么樣子——但每一個(gè)在場(chǎng)的人都知道，世界一定會(huì)因此而改變。

今天，我們站在了和他們一樣的位置上：2016年8月16日，世界上第一顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”從酒泉升空了。

墨子可能是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)光沿直線傳播的中國(guó)人，而“墨子號(hào)”則可能改變我們世界中信息傳播的方式。它將第一次在太空中實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)也最安全的信息傳送手段——量子通信；這不但是未來(lái)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)的先驅(qū)，甚至還有助于進(jìn)一步驗(yàn)證量子理論自身的完備性。

量子隱形傳態(tài)：真正意義上的量子通信

發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標(biāo)，是構(gòu)建廣域乃至全球范圍內(nèi)絕對(duì)安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。而想建設(shè)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，必須依賴多顆量子通信衛(wèi)星。“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，就是未來(lái)一系列量子通信衛(wèi)星的探路者。

“墨子號(hào)”的重要科學(xué)目標(biāo)之一，就是在衛(wèi)星和地面之間進(jìn)行高速量子密鑰分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破。它將在衛(wèi)星與地面之間展開量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，甚至將在北京和維也納之間嘗試超遠(yuǎn)距離的洲際量子密鑰分發(fā)。它還將嘗試與地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)鏈接，為未來(lái)覆蓋全球的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)建立技術(shù)基礎(chǔ)。

盡管“量子密鑰分配”能為經(jīng)典比特的傳輸建立牢不可破的保密通信，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，它傳遞的并不是真正的量子比特。在量子通信中還有另一個(gè)被稱為“量子隱形傳態(tài)”的方向，能利用量子糾纏來(lái)直接傳輸量子比特——那才是真正意義上的量子通信方式。

量子力學(xué)中最神秘的就是疊加態(tài)，而“量子糾纏”正是多粒子的一種疊加態(tài)。以雙粒子為例，一個(gè)粒子A可以處于某個(gè)物理量的疊加態(tài)，能夠用一個(gè)量子比特來(lái)表示，同時(shí)另一個(gè)粒子B也可以處于疊加態(tài)。當(dāng)兩個(gè)粒子發(fā)生糾纏，就會(huì)形成一個(gè)雙粒子的疊加態(tài)，也就是糾纏態(tài)。例如，有一種糾纏態(tài)就是，無(wú)論兩個(gè)粒子相隔多遠(yuǎn)，只要沒有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時(shí)，B粒子一定處于1態(tài)；反之，當(dāng)A粒子處于1態(tài)時(shí)，B粒子一定處于0態(tài)。

這種跨越空間瞬間影響雙方的量子糾纏，曾經(jīng)被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance），并以此來(lái)質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性，因?yàn)檫@個(gè)超距作用違反了他提出的“定域性”原理，即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速。這就是著名的“EPR佯謬”。

后來(lái)物理學(xué)家玻姆在愛因斯坦的定域性原理基礎(chǔ)上，提出了“隱變量理論”來(lái)解釋這種超距相互作用。不久物理學(xué)家貝爾提出了一個(gè)不等式，可以來(lái)判定量子力學(xué)和隱變量理論誰(shuí)正確。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合貝爾不等式，則隱變量理論勝出。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反了貝爾不等式，則量子力學(xué)勝出。

貝爾不等式的意義

隨后的一次又一次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都違反了貝爾不等式，證實(shí)了量子力學(xué)才是對(duì)的，愛因斯坦的定域性原理必須被舍棄。2015年，荷蘭物理學(xué)家做的最新無(wú)漏洞貝爾不等式測(cè)量實(shí)驗(yàn)，基本宣告了定域性原理的死刑。

因?yàn)檫@神奇的量子糾纏是非局域的，兩個(gè)糾纏的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，必然能同時(shí)獲得另一個(gè)粒子的狀態(tài)，而這個(gè)“信息”的獲取又不受光速限制，物理學(xué)家自然想到，能否利用這種跨越空間的糾纏態(tài)進(jìn)行信息傳輸？于是，基于量子糾纏態(tài)的量子通信應(yīng)運(yùn)而生，這種試圖通過跨越空間的量子糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特的傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑环Q為“量子隱形傳態(tài)”。

利用量子隱形傳態(tài)的過程，可以通過量子糾纏，把一個(gè)量子比特?zé)o損地從一個(gè)地點(diǎn)傳送到另一個(gè)地點(diǎn)。這也是量子通信目前最主要的方式。需要指出的是，由于其中有通過經(jīng)典通信方式傳遞的步驟，因此也就限制了整個(gè)量子隱形傳態(tài)的速度，導(dǎo)致量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速度實(shí)際上無(wú)法超過光速。

量子計(jì)算需要直接處理量子比特，“量子隱形傳態(tài)”這種直接傳遞量子比特的傳輸，將成為未來(lái)量子計(jì)算之間的量子通信方式。量子隱形傳態(tài)和量子計(jì)算機(jī)終端，未來(lái)可以構(gòu)成純粹的量子信息傳輸和處理系統(tǒng)，也就是真正意義上的量子互聯(lián)網(wǎng)。這將是未來(lái)量子信息時(shí)代最顯著的標(biāo)志。

在量子糾纏和量子隱形傳態(tài)領(lǐng)域，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星同樣肩負(fù)著重要的科學(xué)目標(biāo)，那就是在空間尺度上通過實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)量子力學(xué)本身的完備性。這個(gè)科學(xué)目標(biāo)，在身為量子物理學(xué)首席科學(xué)家的潘建偉院士看來(lái)，或許比建立天地一體化的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)得更顯誘人。

目前已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)證明了量子力學(xué)的糾纏態(tài)，但在長(zhǎng)距離大范圍條件下進(jìn)行上千千米量級(jí)的量子糾纏態(tài)觀測(cè)，還從來(lái)沒有人實(shí)現(xiàn)過。“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上攜帶著量子糾纏光源，可以從太空同時(shí)向兩個(gè)地面站分發(fā)糾纏光子。完成量子糾纏分發(fā)之后，再對(duì)地面站的兩個(gè)糾纏光子同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的貝爾態(tài)測(cè)量，便可以在超過上千千米的距離上對(duì)貝爾不等式是否成立進(jìn)行檢驗(yàn)。

不僅如此，科學(xué)家還將利用“墨子號(hào)”衛(wèi)星，通過量子隱形傳態(tài)的方式，將微觀量子態(tài)直接從地面?zhèn)魉偷教罩腥ァ１M管傳送的只是量子態(tài)而非粒子本身，并且這種量子通信方式也不可能超越光速，但至少?gòu)哪撤N意義上，地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)將實(shí)現(xiàn)科幻小說(shuō)里經(jīng)常出現(xiàn)的一種進(jìn)入太空的方式——直接傳送上去。

“墨子號(hào)”：將科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)

對(duì)于這些針對(duì)量子力學(xué)有效性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，美國(guó)麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授Vladan Vuletic是這樣評(píng)價(jià)的：“量子力學(xué)走到今天，已經(jīng)在很多不同的環(huán)境和體系下被檢驗(yàn)過多次，幾乎不會(huì)有人真的以為，在延伸到太空甚至更遠(yuǎn)的距離上，量子力學(xué)本身就會(huì)不再有效。不過，這一點(diǎn)如果能夠經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的話，當(dāng)然更好。”

“從個(gè)人而言，我并不指望衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪探o我們?nèi)魏挝覀兩胁涣私獾牧孔恿W(xué)和有關(guān)量子奇特性質(zhì)的知識(shí)。然而，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目卻有著非常重大的意義，它將會(huì)把科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)：如果實(shí)驗(yàn)成功，它將有可能建立比經(jīng)典物理學(xué)更強(qiáng)有力的地面系統(tǒng)與空間系統(tǒng)鏈接。然后，這種鏈接可以在實(shí)際上用于安全的信息交流。因此，愛因斯坦對(duì)量子物理學(xué)的反對(duì)就會(huì)轉(zhuǎn)變成一種交流工具，這將是一個(gè)非常激動(dòng)人心的進(jìn)展。”

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星只是一個(gè)開始。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，“要實(shí)現(xiàn)全球化量子通信，還需要長(zhǎng)期的努力，特別是需要多顆衛(wèi)星的組網(wǎng)”，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)副總師、中國(guó)科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員彭承志表示。

這條征途沒有盡頭。好在這一回，中國(guó)站在了最前面。