“墨子號”衛星與高冷量子學

〇吾悅

“墨子號”衛星與高冷量子學

〇吾悅

2016年8月16日1時40分，在酒泉衛星發射中心一顆科學試驗衛星成功升空。這顆衛星不僅有著高大上的名字——“墨子號”，還有著高冷背景——它肩負的是探索星地量子通信的使命。它的升空引發了普通大眾對最前沿科學領域——量子學的關注。這期就讓我們一起跟隨高大上的“墨子號”走進量子世界。

我們都知道分子、原子是構成物質世界的基本粒子。可是這只是我們對宏觀世界的淺顯認識。隨著科學研究的不斷推進，科學家們發現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“半個氧原子”“半個水分子”等等。

量子是現代物理的重要概念，主要表現在微觀物理世界。量子不但可用于表述物質構成，還能用于能量、角動量、自旋、電荷等其他物理量的研究。在量子世界中有兩個基本原理：量子疊加和量子糾纏。量子疊加就是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。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，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應改變。量子科技已經在方方面面影響著我們的日常生活，目前正在廣為使用的計算機、手機、互聯網、時間標準和導航，包括醫院里的磁共振成像等，無一不得益于量子科技。

量子技術與信息安全

現代社會已經進入網絡信息時代，然而隨之而來的是信息安全問題。這不僅牽涉國家機密，普通百姓也難逃影響。個人的網上銀行、手機支付、信用卡信息泄露事件時有發生，就連QQ號也經常被不法分子盜用等。面對信息安全危機，量子通信技術充當了救世主的角色，它為信息科學的進一步發展筑起了堅實的基礎。

量子通信指的就是量子密鑰分配技術。量子密鑰分配技術利用“單量子不可克隆定理”來實現密鑰配送的絕對安全。“不可克隆定理”是指量子力學中對任意一個未知的量子態進行完全相同的復制的過程是不可實現的，因為復制的前提是測量，而測量一般會改變該量子的狀態。

傳統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。這種破壞必然會被信息發送者和接收者所發現。根據“不可克隆定理”，同樣不可以不破壞傳輸的量子態，只截取并復制，再繼續發送，于是就保證了量子通信的絕對安全。

量子與瞬間移動

在《星際迷航》等科幻大片里，瞬間移動是必備神技之一。哆啦a夢的任意門也是很多人向往的。“量子態隱形傳輸”能否實現瞬間移動神技和任意門嗎？

“量子態隱形傳輸”是基于量子疊加和量子糾纏的特性，就是甲地某一粒子的未知量子態，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，而不是粒子本身。這種狀態傳送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬間移動”。

現在，在光子、原子等層面已經實現了量子態隱形傳輸。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，更何況重現意識和記憶就更復雜了。不過，隨著科學的發展和技術的進步，也許未來我們還是可以實現人的量子隱形傳態，到那時星際旅行就不是夢啦。

量子計算機與量子大腦

將來機器會不會像《變形金剛》里一樣被裝上量子大腦，從而取代人類？

所謂量子大腦，其實就是當今正在研制中的量子計算機。未來的量子計算機可能會對人工智能起到極大的幫助，在數據搜索、分析和處理方面提供遠遠超過目前經典計算機的運算能力。

機器人都是預先設置好程序的，而人是有意識和自由意志的。研究發現，人腦中的思維機制與量子疊加、量子糾纏或許存在相似之處。所以也有學者認為，未來可望創造出與人腦一樣運行的人工智能機器人。真到這種程度，機器與生物之間的界限已經非常模糊。這目前還只是一種暢想，未來究竟怎樣還得拭目以待。

“墨子號”量子衛星

“墨子號”是中科院空間科學先導專項中首批確定立項研制的4顆科學實驗衛星之一，它的成功發射和在軌運行，不僅將助力于我國廣域量子通信網絡的構建，服務于國家信息安全，還將開展對量子力學基本問題的空間尺度實驗檢驗，加深人類對量子力學自身的理解。

“墨子號”重約640千克，設計壽命為兩年，運行在高度約500千米的極地軌道。目前正在進行衛星平臺的測試工作，后續將開展有效載荷的自測試、地面站配合的載荷測試、天地一體化鏈路測試等工作。所有測試完成后，將在首席科學家的領導下，由科學應用系統組織完成星地高速量子密鑰分發、廣域量子通信網絡、星地量子糾纏分發以及地星量子隱形傳態等多項科學實驗任務，實現專項預定的科學目標。