近日，我國成功發(fā)射了世界上首枚量子通信衛(wèi)星“墨子號”，并且伴隨著地面 “京滬干線”的建設(shè)完成，將首次實現(xiàn)“天地一體化”的量子通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，真正奠定了中國在量子通信領(lǐng)域“老大哥”的地位。
　　“墨子號”的升空絕對稱得上是量子通信領(lǐng)域的大事件，有一種拿了金牌的民族自豪感。
　　但是，作為一個自豪的中國人，你真的明白自己在驕傲些什么嗎？
　　量子通信這個神秘感十足的詞匯到底包含多少你不懂的“冷知識”？在享受著中國科研揚眉吐氣般喜悅的同時，我們也深深地感受到來自量子世界的“洪荒之力”，這必定是一個超乎想象的奇妙世界，也是一個很多人不了解的神秘世界。
　　那就讓量子通信領(lǐng)域的大咖——中國科學(xué)院院士、中國科技大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉，帶我們走進(jìn)神奇的量子世界。


圖1中國科學(xué)院院士、中國科技大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉

“量子”為何物
　　量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，能量的最基本攜帶者 ，不可分割。以我們最熟悉的“光量子”為例，作為光能量的最小單元，不存在“半個光子”。光的能量都是以光量子的能量為單位逐份變化的，并且這種變化不是連續(xù)的。在量子物理學(xué)的理論體系中，大多數(shù)物理量的值都是不連續(xù)、離散式地變化的。
　　這樣的觀點在提出之初是難以為人所接受的，因為它與經(jīng)典物理學(xué)中物理量都是連續(xù)變化的觀點是截然不同的。然而，大量的實驗事實讓科學(xué)家們逐漸接受了這一新的理論，并且歸納總結(jié)出諸如“量子疊加態(tài)原理”、“概率性測量原理”等，建立了現(xiàn)在的量子物理科學(xué)。


圖2 量子理論之父普朗克

給你一個“絕對”安全的理由
　　從摩斯電碼到電報、傳真，從移動電話到網(wǎng)絡(luò)通信，通信技術(shù)的發(fā)展在為人類提供便利的同時也帶來了通信安全的隱患。但是量子通信技術(shù)的出現(xiàn)，就能夠完美地解決信息傳輸過程中的安全問題，真正做到“絕對”安全。那么實現(xiàn)絕對安全的理由是什么呢？潘建偉做出了如下的解答。
　　量子通信作為絕對安全的信息傳送方式，主要體現(xiàn)在光量子的不可分割性上。由于光量子的不可分割性，所以在單光子發(fā)射的情況下，竊聽者無法采用將光子分成兩半，一半用于獲得密鑰，一半傳輸給接收方的方式避免被發(fā)現(xiàn)。同時，光量子還具有無法克隆性，因為光子是無法準(zhǔn)確測量的，所以更無法被竊聽者復(fù)制，即無法通過準(zhǔn)確測量光子，克隆出一個一模一樣的光子從而獲取信息。換句話說，在量子通信傳輸信息的過程中，一旦信息被竊取，就一定會被發(fā)現(xiàn)。
　　另外，隨著計算機運算性能的不斷提高，以及量子計算機的研制與發(fā)展，經(jīng)典傳統(tǒng)的公鑰算法(RSA)受到?jīng)_擊。相較于只能依靠密碼長度和復(fù)雜性保證安全性的RSA算法而言，量子通信可以真正做到“一次一密”，從而真正實現(xiàn)密碼無法被破譯。這也是量子通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)“絕對安全”的重要理由。


圖3 量子通信概念圖

神奇的力量——量子糾纏
　　量子糾纏現(xiàn)象是量子科學(xué)領(lǐng)域最古怪但也是最神奇的性質(zhì)之一，因為它能夠產(chǎn)生“幽靈般的超距離互動”。毫不夸張地講，也許未來人類能夠利用量子糾纏這一特殊性質(zhì)真正實現(xiàn)“瞬間移動”。那這種性質(zhì)究竟有怎樣的奇妙之處呢？
　　想要理解量子糾纏有多么的詭異，我們通過電子的自旋這一典型的例子來解釋。電子的自旋與實際物體的旋轉(zhuǎn)有著巨大的不同，其旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)總是不確定的，直到觀測的某個瞬間才能夠確定。而量子糾纏理論認(rèn)為，假設(shè)有兩個相互糾纏的電子對，即使它們一個在地球一個在月球，二者之間沒有任何傳輸線相連。如果你在某個時刻觀測到其中一個的自旋狀態(tài)，那么另一個電子在同一時刻的自旋狀態(tài)也會相應(yīng)的發(fā)生變化。也就是說，如果你對其中一個粒子進(jìn)行觀測，那么你不止是影響了它，你的觀測也同時影響了它所糾纏的伙伴，而且這與兩個粒子間的距離無關(guān)。
　　二者之間存在的這種奇妙的互動就是量子糾纏，也曾被愛因斯坦稱作“幽靈般的超距離互動”。所以，在量子糾纏的幫助下，我們可以將另一個粒子的未知量子態(tài)傳送到遙遠(yuǎn)地點，而不用傳送這個粒子本身。利用這種詭異的互動，人類也許可以在未來實現(xiàn)科幻電影中的“瞬間移動”。


圖4 量子糾纏現(xiàn)象

　　量子科學(xué)的世界充滿了經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的神奇現(xiàn)象，但是科學(xué)家們正在通過不懈的努力一一驗證這些聽起來荒謬的理論。
　　作為量子力學(xué)的重要應(yīng)用，近年來量子通信的飛速發(fā)展大大增加了人們對于量子科學(xué)的信心；作為量子通信領(lǐng)域的技術(shù)強國，中國正在用實力證明，人類渴望的絕對安全通信的夢想即將成為現(xiàn)實。

細(xì)解“墨子”：量子界的洪荒之力

圖文簡介

說量子，道量子，量子究竟為何物？保證通信安全，安全靠什么？量子助力……