文／非是藉秋風
2016年8月16日凌晨，我國成功發射了世界第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”。這是一件具有重大里程碑意義的社會事件和科學事件。
翻看網頁和電視報道，沒有一個能令我非常滿意的科普介紹，要么過于簡略，誤使人以為“懂了”，要么過于嚴謹的描述，使人“望而生畏”。在這種情況下，有必要對“量子通訊”衛星整件事做一個通俗而又不失真的“素描”。
如同用寥寥數筆勾勒人物形象，讓人們一眼看去就是“某某某”，但是“某某某”有幾條皺紋，有幾顆痣，我們暫時先不關心。
下面首先解釋這顆“量子通訊”衛星為什么被命名為“墨子”號。
首先對“墨子”做簡要介紹。
墨子名翟，是諸子百家中涉及自然科學研究最多的先賢，“墨家”的創始人。
發射的世界首顆“量子通訊衛星”以“墨子”命名最主要的原因是：墨子早在兩千年前就對傳播信息的介質“光”和“聲音”進行了研究。
墨子第一個進行了著名的小孔成像實驗，對平面鏡、凹面鏡、凸面鏡等進行了相當系統的研究，得出了幾何光學的一系列基本原理。還對聲音的傳播進行過研究。
此外，墨子還給出了“力”的定義，對杠桿定理、斜面、重心、滾動摩擦等力學問題進行了一系列的研究，在機械制造方面也有很深的造詣。
所以這顆利用量子進行“通訊”的衛星以“墨子”命名，非常具有針對性和紀念意義。
接下來介紹“量子通訊”。
人類的通訊史在不斷的演進，通訊方式和通訊媒介都在發生變化。通訊方式從兩個罐頭加一根繩子開始，雞毛信，電報、電話、撥號盤電話、按鍵電話、手機、短信、微信，當然，今天迎來了全新的“量子通訊”。通訊媒介從固體、空氣、電纜、光纖，到今天的“量子”。
下面首先介紹“量子”，再介紹量子為什么能通訊，以及怎么利用量子進行通訊，以及用量子進行通訊的最大優點。
通訊介質之所以不斷的變化，是因為新的通訊的媒介有更加新奇的性質，更加強大的傳播訊息的能力。
下面先說三個東西：“量子”是什么東西？具有什么新奇的性質？為什么可以用來傳播訊息？
簡單的說，量子是構成物質的最基本單元，能量的最基本攜帶者 ，不可分割。這種說法看似簡單，卻不通俗。所以要多聊一下。人們最早認識到“量子”，并且提出這個概念是被逼無奈。
被逼無奈的意思就是不想承認都得承認。被誰逼的？當然是一次又一次確鑿無疑的實驗結果。有一句話叫做：實驗可以推翻理論，理論永遠無法推翻實驗。既然實驗沒有問題，那就只能從人們理解世界的圖像、模型和理論上找問題了。
在1900年之前，人們認為各種“物理量”，比如，長度、能量、等可以無限細分，是“連續”存在的，沒有最小的。在這里提醒一下，這種世界觀雖然是憑經驗的，但是，不可否認它的確可以解釋1900年之前絕大部分的實驗結果，建立在這種世界觀基礎上的大部分的理論計算值都能與實驗值很好的吻合。
1900年之前的世界觀一個典型代表就是“牛頓力學”。以至于有一次美國的航天飛機在返回地面的過程中，地面控制室問航天飛機的駕駛艙：現在是誰在駕駛？航天人員開玩笑的說：是牛頓。
隨著物理學研究疆域、深度和精度的不斷拓展，人們發現很多物理現象完全無法用已有的理論來解釋了。
19世紀的最后一天，英國著名物理學家開爾文勛爵發表了新年祝詞，他非常自信的宣布：物理大廈已經落成，所剩只是一些修飾工作。當然，他也很謹慎地講道：物理學大廈的美麗而晴朗的天空卻飄來了兩朵烏云。
第一朵烏云出現在光的波動理論上，主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結果和以太漂移說相矛盾。第二朵烏云出現在關于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上，主要是指黑體輻射實驗。
先說明一下，對第一朵烏云的研究導致了“狹義相對論”的誕生。對第二朵烏云的研究導致了“量子力學”的誕生。誕生的兩大理論直接導致了全體人類對世界從根本上的重新認識，現在回過頭來想一下，開爾文勛爵指的宏偉的物理學大廈用茅草屋來形容可能更妥當。所以在面對“這個世界到底是個什么樣子”的問題時，人類最好永遠都不要驕傲。
在理論不能解釋實驗結果的日日夜夜里，物理學家寢食難安，使出渾身解數來調和理論與實驗之間的裂痕，經過很長一段時間的摸索和碰壁，在走投無路的情況下，極其不情愿的去嘗試改變“連續”的世界觀圖像，即，做出“世界是不連續”的假設：世界是一份一份的。這一份一份就是大名鼎鼎的“量子”。
1900年，德國物理學家M·普朗克大膽提出“量子”假設，即能量不能無限分，世界上有最小的能量單位，能量不連續，能很好的解釋“黑體輻射”的實驗結果。后來，1905年，愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，提出“光量子”（光子）的概念，很好的解釋了大名鼎鼎的“光電效應”。
把世界假設為“一份一份”的，結果，居然成功了。“成功”的意思是：理論計算值居然與實驗結果吻合。所以沒辦法，只好承認。
細想一下，“世界是連續的”其實也是憑經驗的假設，因為這個模型能解釋之前所涉及的實驗，之所以沒有人懷疑過，是因為這種模型非常符合人們的感官感受，人們理解起來很自然。
勝者為王，敗者為寇，既然不連續能精確的解釋并且預言實驗結果，那么之前的假設就是錯的，“世界是不連續”這種圖像是人們必須所承認的圖像。不過很遺憾，這與人們的感覺感受沖突很大。在接下來的幾十年里，雖然“量子力學”一路高歌，統治了整個世界，但是直到現在，關于“量子力學”的感性的圖像，始終沒有能在人類的大腦中建立起來。
比如，電子的“雙縫衍射”實驗，電子到底是怎么通過雙縫的？沒人能夠說的清楚，有人說是物質波的干涉之后探測時波函數的“塌縮”，說出這種話，說明已經到人類智慧的極限了。
其實，不懂量子力學是一個正常人類應該有的反應。諾貝爾物理學獎得主費曼說：“我想我可以有把握地講，沒有人懂量子力學！” 量子論的創始人玻爾也說過：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”既然連費曼和玻爾都這樣說，所以，我們真不敢說“理解”了量子力學。
不理解，但是不妨礙我們“使用”量子力學。一個物理學家對其學生說了如何面對量子力學的一句名言：“閉嘴，計算！”所以，理論與實驗吻合才是“王道”。
量子理論是迄今為止最精確地被實驗檢驗了的理論。舉個“蘭姆移位”例子。
在1947年，蘭姆等人用射頻波譜的方法發現氫原子的前人所認為重合的兩個能級并不是完美的重合，而是存在著一個很小的能級差，
實驗值：0.001159652188（4）。
理論值是0.001159652133（29），
誤差發生在小數點后面第11位！
實驗的精度達到百億分之一，蘭姆移位實驗，直接促使了量子電動力學的誕生。
在上面的介紹中引出了“量子”的概念，雖然沒人能真正理解，但是可以放心大膽的使用。
“量子”可以用來“通訊”，說明量子可以“傳遞訊息”，一個重要的問題是：“量子”是怎么做到能傳播訊息的？
一切都與“量子”表現出來的“奇妙”性質與現象有關。
首先介紹量子最重要的性質：“疊加態”。
從日常經驗來說，一個物體在某一時刻，一定處于唯一的一個狀態。比如我說：我現在“在三明”，或是說：我現在“不在三明”。在某一時刻，我要么“在三明”，要么“不在三明”，必居其一。
然而，在量子世界中，情況截然不同。量子可以處于一種所謂“疊加態”的狀態中。例如，量子可以同時位于兩個不同的地點。也就是說，電子可以既“在三明”，又“不在三明”。“在三明”和“不在三明”兩種狀態按一定幾率的疊加。電子的這種狀態叫做“疊加態”。
如果有人問：量子為什么可以這樣？我的回答是：不要問為什么，世界本來如此。
“疊加態”的存在，是“量子”最大的奧秘，是量子所有現象神秘感的根源，是我們了解量子力學的關鍵。
介紹了量子“疊加態”，再來介紹一只貓來加深一下印象，這只貓很特殊，叫做“薛定諤貓”。薛定諤是量子力學的奠基人之一，提出了薛定諤方程，這個是量子世界的最最基本的方程。
“薛定諤的貓”如下：
把一只貓放進一個封閉的盒子里，這里的“封閉”主要是指人看不到。這個盒子里面除了貓之外，還有一個原子核和毒氣設施。這個原子核有一定的可能性發生衰變。衰變時發射出一個粒子，這個粒子將會觸發毒氣設施，確定無疑地將貓殺死。
未進行觀察時，這個原子核處于“已衰變”和“未衰變”的疊加態，因此，貓就應該相應地處于“死”和“活”的疊加態。老實說，這種狀態人類不能理解，但是確實處于這種狀態。
下面由量子的“疊加態”再引申出來量子的“糾纏態”：
還是以上面薛定諤貓為例。
在人類未觀察盒子的時候，整個系統的狀態可以表示為：
整個系統的狀態=原子核衰變*貓死+原子核未衰變*貓活
“*”代表“并且”，“+”代表“疊加”
這種“原子核”與“貓”的關聯狀態就是量子“糾纏態”。
這種狀態最大的特點是：打開盒子的一瞬間，疊加的兩個狀態，一個狀態被確定，一個消失。
所以，設想一下，如果兩個粒子A和B如果處于糾纏狀態，不管被分開多遠，對其中一個粒子施加作用，那么另外一個粒子“瞬間”會發生變化。這個就是愛因斯坦所說的“幽靈般的超距離互動”，這也是“量子”為什么能傳播訊息的基礎。
不管被分開多遠，都能發生“糾纏”，這只是從理論上講的話，這次發射的衛星其中目的之一的就是檢驗在目前實驗條件下，實際發生“糾纏”的物理極限距離。
為了多理解一下這種“幽靈般的超距離互動”，再舉一個例子也是值得的。
以雙粒子為例，粒子A可以處于“福建省三明市”，也可以處于“福建省福州市”，粒子B也是這樣。單個粒子可以用一個量子比特來表示：
? ?粒子A單獨存在的疊加態：
A=A三明+A福州 。
A表示A粒子單獨存在時的“疊加態”，“A三明”表示A粒子在三明，“A福州”表示A粒子在福州。B粒子也類似。
? ?粒子B單獨存在的疊加態：
B=B三明+B福州。
當兩個粒子發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態AB，例如：
AB=A三明B福州 +A福州B三明
這樣的疊加態AB就是一個糾纏態AB：當A粒子處于三明時，B粒子一定處于福州；反之，當A粒子處于福州時，B粒子一定處于三明。
愛因斯坦所說的“幽靈般的超距離互動”應該怎么理解？我稍微說的詳細一點。
就像“心靈感應”一樣，這兩粒子無論相距多遠，結果始終一樣。那么用上面A和B兩個粒子來說，用通俗的話來說，A粒子在三明和福州有兩個“分身”，B也有三明和福州兩個“分身”。
接下來，如果對A進行了測量，那么A有個分身會消失，那么B分身會怎么樣呢？B的分身也會消失。比如A在三明的分身消失了，只留下福州的分身，那A就知道，而且必然會發生的事情，就是B在福州的分身也會消失，只留下三明的分身，這就是量子糾纏。
介紹糾纏之后，再講一下“三個世紀，三個‘E’”的故事：19世紀開始進入了能量（Energy）的世紀，大規模的開發地球上的能源，化石能源得到了極大的開發。20世紀開始進入了熵（Entropy）的世紀，信息技術，計算機等得到了極大的發展，摩爾定律，香農定律等得到了極大的應用。進入21世紀開始進入糾纏（Entangle）的世紀，量子糾纏不僅在基礎研究更在實際應用得到了極大的發展。當然，三個E的世紀并不是孤立發展的，而是并行交叉的發展。
再介紹什么是“量子隱形傳輸”。
還以上面A粒子和B粒子為例，如果我們想把三明的量子傳送到福州，那怎么辦呢？
先在三明和福州之間建立這樣的糾纏，然后我通過對兩地的粒子，做一些特殊的操作，那么在三明的量子就會消失出現在福州。這就是“量子隱形傳輸”。首先申明，量子的“隱形傳輸”必須要傳統的方式配合，比如電話、傳真等等。
具體操作如下：
我在“三明”，朋友在“福州”。
我想要把量子X傳給朋友。要完成這一過程，需要利用處于糾纏狀態的粒子A和粒子B。粒子A在我這里，而朋友擁有粒子B。
首先，我對需要傳送的X和A作“貝爾測量”。測量后，X的量子態“塌縮”，同時，A也發生了變化。
所謂的“貝爾測量”是一種糾纏的轉移，信息通過糾纏轉移而傳輸。
當我在三明對X和A做“貝爾測量”之后X、A、B三粒子之間，已經完成了“糾纏轉移”：原來不糾纏的X和A糾纏起來，光子X原來量子態的大部分信息，已經轉移到B。因為A和B互相糾纏，A的變化立即影響B也發生變化。然而，在福州的朋友無法察覺B的變化，直到我在電話里把信息告訴朋友。然后，朋友對B進行相應的變換處理。最后，B成為和X一模一樣的狀態。
到此，原來的X的所有信息都轉移到了朋友所擁有的粒子B上。而實際上，我和朋友從始至終都對X上的這些信息一無所知，我們唯一所知道的只是：最后，X和A成為糾纏單態，朋友的粒子B有了X的所有性質，隱形傳態完成。
再舉一個用“傳真機”傳送照片的例子來說明。
在“傳統”的世界中，傳送一張照片X
首先，我將照片X進行掃描，得到需要傳輸的圖像信息。然后，從互聯網傳給朋友。朋友收到圖像后，用另外一張紙B將圖像打印出來。
在這種傳遞過程中，傳送的只是X的一部分信息，照片X的材料、顏色、大小、厚度等信息并不能從掃描過程得到，也沒有被傳遞過去。況且，即使是朋友知道了這些性質，造出一張表面看起來完全一樣的紙來打印圖像，后來的B也不能說是和原來的X一模一樣的。
但是，在量子隱形傳輸中，最后的B可以做到和X完全一樣。量子隱形傳輸從得到實體的完整信息，而復制出了X本身，盡管只是一個小小的量子態。有人可能會說：“遠距離傳物的時代就要來臨了！”
至此，我必須交代兩點：
第一、在這個過程中，傳送的只是粒子的“狀態信息”，而不是粒子“實體本身。這可能會使很多人失望。
第二、未知量子態的傳送，需要傳統方式的配合，傳送速度不可能超過光速——不違背相對論原理。這可能會使更多的人失望。
但是下面馬上介紹的“量子通訊”最大的優點：“絕度的保密性和安全性”，會重振大家的希望。
上面就是“量子通訊”的基礎。下面介紹為什么發射“量子通訊”相關的“衛星”。
其實發射衛星只是整個“量子通訊”的一個環節。實現“量子通訊”，特別是實現遠距離“量子通訊”的基本的路線圖如下：
先利用光纖在城市內實現城市內的量子通訊網絡。比如，我國北京到上海的京滬干線就是這樣的網絡，任意兩點之間都能傳遞保密的信息。然后，在超遠距離，光纖沒有那么容易鋪過去，通過衛星的中轉，來實現遠距離的量子通訊。剛剛發射的量子通訊衛星就是中轉站，最終建成天地一體化的量子保密通信網絡。
細心的人可能會發現還沒有介紹“保密”二字。
量子通訊技術一個極其重要的優點在于讓信息傳輸過程的高保密性。而且真正做到了“絕對”的安全。
怎么做到的？
上面提到過“量子”的疊加態，即“分身術”。
舉個例子，我現在人在三明，我想把一條信息傳送給福州的一個朋友，怎么辦？我先把信息鎖在一個箱子里，我先給朋友傳一把鑰匙，再給傳箱子，朋友有這把鑰匙，就可以把箱子打開，讀到里面的內容，
完全保密的關鍵步驟在于：用“量子”的方式首先傳送這個鑰匙。
根據量子的“疊加態”原理，鑰匙有很多的分身，如果有人想截獲這把鑰匙，根本沒有可能得到傳播的信息。因為，他一旦對鑰匙進行了測量，其他的分身就會消失了。我們會立即知道。那我們就把這把鑰匙廢掉，我再給朋友一把。
故事講到這里，聰明的人就會問下面這個問題：
為什么非要“廢掉”被竊取的鑰匙呢？可不可以復制一把原先的鑰匙，再傳一次，然后把箱子傳過去再打開。
有一個定律告我們絕對不可以這樣。
這個定律叫做：“量子不可克隆原理”。簡單討論一下其中最核心的內容：
量子的“疊加態”決定了量子態“不可復制”。在量子世界，假設有這么一個克隆機可以對量子進行克隆，那我們知道A就變成兩個AA，而B就變成BB，那么，如果我輸入了一個A+B的疊加態，那它就應該是，AA+BB這樣的一個糾纏的形式。
但是，我所想要的是A+B和A+B，就這么簡單的一個公式，就限制了一個未知的量子態不能夠被克隆。
如果有人竊聽，我立即能夠發現，而竊聽的人又不能對它進行克隆，所以確保當朋友拿到了唯一的鑰匙之后，接下來我以很隨便一種方式把箱子交給朋友就行。
到這里，所有關于“量子通訊”的解釋都已完畢。誕生百年的量子理論的奇妙之處在于從未被理解，但是在實驗室里卻被不斷重復驗證和檢驗。這次，中國科學家率先向太空尺度的量子通訊發起挑戰。致敬！
———且待下回分解———
在下非是藉秋風。
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