太空守秘者

陳曉東

“報——”

“主公，我們的信使在前往吳國的山路中被劫持，密令可能被他國竊取！”

“這……這可如何是好？”

這可能是三國時期，軍事競爭中常見的突發狀況，在那個時代，信使的密令很有可能因為被劫持而遭到泄漏。即使是密碼技術如此發達的今天，竊取者依然可以在神不知鬼不覺的情況下破解復雜的密碼，獲取重要信息。

如何才能讓通信安全得到保障呢？開發更加復雜的密碼嗎？不！科學家們找到了新的解決方法——采用量子通信技術。量子通信是目前唯一被證明無條件安全的通訊方式，可以有效解決信息安全傳輸問題。2016年8月16日，我國發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，它已經開展了一些科學實驗來證明這個問題。

實驗一：量子秘鑰分發

假如兩只蜘蛛在一張網上，一只小蚊蟲就好比是竊聽者，當它觸及絲網的一瞬間，兩只蜘蛛都在同一時間知道了有竊聽者入侵。只是，在量子通信中，這個蜘蛛網可以換成量子通信線路，“墨子號”給兩只小蜘蛛分發共享的量子秘鑰（一般用光子的不同狀態來實現），理論上這條量子通信線路是不可竊聽的，因為一旦你試圖去破解（測量）光子的狀態，測量的結果就不再是原來的狀態了，竊聽者得到的也不再是原來的信息了。這便是“墨子號”要進行的量子秘鑰分發實驗。

實驗二：檢驗量子糾纏現象

幾個微觀的粒子相互作用后，會成為一個奇特的體系，你無法單獨描述其中一個粒子的狀態。物理學家們把兩個粒子分離得很遠，一旦科學家去測量一個粒子的狀態，體系中另一個粒子似乎同時知道了你在測量，瞬間會發生狀態改變。愛因斯坦稱這種現象為“鬼魅般的超距作用”。瞧，下面左圖中粒子寶寶A正立，粒子寶寶B倒立;右圖中科學家讓粒子寶寶A倒立，結果，粒子寶寶B瞬間正立了。

實驗三：量子隱形傳態

我們可以從圖中看出量子信息通過糾纏的方法傳遞出去，因為傳遞的是一串密鑰，所以又稱隱形傳態。第三個實驗就是要驗證地面到衛星相距上千千米來傳遞信息是不是可行。

值得慶祝的是，不久前，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等和奧地利維也納大學塞林格小組合作，在國際上首次成功實現高維度量子體系的隱形傳態。

這正是“墨子號”需要去驗證的量子力學基本原理——量子糾纏。如果把糾纏的一對光子分離得很遠很遠，它們還會“彼此感知”嗎？科學家把實驗室搬上太空，讓“墨子號”給地球發送糾纏光子，以此檢驗這么遠的距離，這個物理原理是否有效。

目前，“墨子號”量子通信衛星圓滿實現預定的三大科學目標。未來，量子世界還有更多奧秘，等待同學們去學習和探索。

問題1：量子、粒子、光子是什么？

首先我們來認識粒子。我們在吃水果的時候知道切開分享，那水果可以不停地分下去嗎？答案是肯定的，所有的物質都是由很小很小的“顆粒”組成的，這就是原子。原子還可以再分嗎？當然。科學家通過撞擊試驗，發現了更多的“小顆粒”，這些比原子還小的顆粒，就叫粒子了。

而量子這個概念最早是德國物理學家普朗克提出的，他發現能量是一份一份的，能量有一個最小單位，不可再分。后來科學家進一步研究，發現很多粒子的物理量都具有量子性，簡單說，量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。

而光子其實叫光量子，它就來源于平常所見的光，只是到微觀層面，光也表現出不連續的特點，一份一份的。

問題2：科學家是怎么給我們打電話的聲音加密的？

舉個例子，我們約定用“A”表示“你”，“B”表示“好”，那當我說“AB”時，你就明白我說的是什么了，這就是加密的過程。當我們的聲音被電話轉變成電信號和數字信號后，計算機會把這些信號通過專門的規則（在數學和計算機領域里我們叫算法）變成一段大家都看不懂的信息，只有制造和接受信息的人才能夠通過秘鑰使信息“現原形”。

問題3：量子力學的世界到底有什么神奇的？

19世紀末20世紀初，以普朗克、愛因斯坦、玻爾等為首的物理學家們紛紛注意到了微觀粒子世界的量子特性，從而開啟了神奇的量子力學大門。簡單來說，微觀世界的能量都是一份一份的，不可再分，就像我們上樓的臺階一樣，你只可能一步一個臺階上樓，不可能上半個臺階。另外，測量會對粒子發生影響，也就是說一旦測量，粒子（如光子）的狀態就會發生變化。量子秘鑰就是利用這種原理來分發不可被測量的光子的。

問題4：“墨子號”能接收到其他星球發出的信息嗎？

其他星球未必會發出信息，不過有些恒星確實不斷發出脈沖信號，但不一定需要用“墨子號”來研究。目前，我國的“墨子號”設計的目的，主要用來開展星地的量子通信實驗。當然，我國也有太空探測器，比如說“悟空號”暗物質粒子探測衛星，它可以探尋暗物質存在的證據，研究暗物質特性與空間分布規律。