揭秘全球首颗量子卫星：无条件安全通信成可能

　　制图：蔡华伟

　　随着我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，人类将首次完成卫星和地面之间的量子通信，从而构建一个天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

　　什么是量子和量子通信

　　量子是物理世界里最小的、不可分割的基本个体。可以说，整个世界都是由量子组成的。而量子理论，被称为物理世界的百岁“幽灵”，连不少科学家都为其产生的神秘现象所迷惑，对于普通人来说自然更加高深。但若试着走近它，你会发现这个“幽灵”的魅力。

　　量子的奇妙之处首先在于它的奇妙特性——量子叠加原理和量子纠缠。

　　什么是量子叠加原理？就是说，量子有多个可能状态的叠加态，只有在被观测或测量时，才会随机地呈现出某种确定的状态，因此，对物质的测量意味着扰动，会改变被测量物质的状态。“这就好比孙悟空的分身术”，量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟解释道，“一个孙悟空同时出现在多个地方，孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在日常生活中，我不可能同时出现在两个地方，但在量子世界里，作为一个微观的客体，它同时出现在许多地方。”

　　而所谓的量子纠缠，则意味着两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎，不管两个人的距离有多远，当哥哥的状态发生变化时，弟弟的状态也跟着发生一样的变化。“如果这两个光量子呈纠缠态的话，哪怕是千公里量级或者更远的距离，大家认为，还是会出现遥远的点之间的诡异互动。”潘建伟补充道，两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远，都能“感应”对方状态，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。科学家就可以利用这种效应将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。

　　随着这两种特性被科学家不断认识，适用于实际应用的新技术也被逐渐开拓出来，量子通信就是其中之一。

　　以往用以微电子技术为基础的计算机技术传递信息极易遭遇窃听，但通过把量子物理与信息技术相结合，利用量子调控技术，能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，从而在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈，这就是量子通信。

　　通常认为，量子通信分为两种，一种是量子保密通信（量子密钥分发）；另外一种是量子隐形传态。

　　量子保密通信，就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子，才能取到秘密。没有这把钥匙，别人无法打开箱子，而且一旦这把钥匙被别人动过，传送者会立刻发现，原有的钥匙作废，再给一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。

　　那么，为何钥匙被别人一碰，就能立刻被知晓呢？

　　因为，科学家利用了上面提到过的量子有多个叠加态的原理，用量子作为密钥。这样一来，一旦有人试图截获或测试量子密钥，就会改变量子状态，科学家便能立刻从改变中发现有人动了钥匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能实现无条件安全的通信方式。

　　量子通信的另一种——量子隐形传态也利用了量子的两大特性，通过隐形传输实现信息传递。也就是说，将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点而不用传送粒子本身。