〇吾悦

“墨子号”卫星与高冷量子学

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2016年8月16日1时40分，在酒泉卫星发射中心一颗科学试验卫星成功升空。这颗卫星不仅有着高大上的名字——“墨子号”，还有着高冷背景——它肩负的是探索星地量子通信的使命。它的升空引发了普通大众对最前沿科学领域——量子学的关注。这期就让我们一起跟随高大上的“墨子号”走进量子世界。

我们都知道分子、原子是构成物质世界的基本粒子。可是这只是我们对宏观世界的浅显认识。随着科学研究的不断推进，科学家们发现量子是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小单元，不存在“半个光子”，同理，也不存在“半个氧原子”“半个水分子”等等。

量子是现代物理的重要概念，主要表现在微观物理世界。量子不但可用于表述物质构成，还能用于能量、角动量、自旋、电荷等其他物理量的研究。在量子世界中有两个基本原理：量子叠加和量子纠缠。量子叠加就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。量子纠缠类似孙悟空和他的分身，二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态，不论分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应改变。量子科技已经在方方面面影响着我们的日常生活，目前正在广为使用的计算机、手机、互联网、时间标准和导航，包括医院里的磁共振成像等，无一不得益于量子科技。

量子技术与信息安全

现代社会已经进入网络信息时代，然而随之而来的是信息安全问题。这不仅牵涉国家机密，普通百姓也难逃影响。个人的网上银行、手机支付、信用卡信息泄露事件时有发生，就连QQ号也经常被不法分子盗用等。面对信息安全危机，量子通信技术充当了救世主的角色，它为信息科学的进一步发展筑起了坚实的基础。

量子通信指的就是量子密钥分配技术。量子密钥分配技术利用“单量子不可克隆定理”来实现密钥配送的绝对安全。“不可克隆定理”是指量子力学中对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的，因为复制的前提是测量，而测量一般会改变该量子的状态。

传统光通信是通过光的强弱变化传输信息。从中分出一丁点光并不影响其他光继续传输信息，测量这一丁点光原理上就能窃取信息。量子通信则完全不同！窃听者如果想拦截量子信号，并对其进行测量，将不可避免地破坏携带密钥信息的量子态。这种破坏必然会被信息发送者和接收者所发现。根据“不可克隆定理”，同样不可以不破坏传输的量子态，只截取并复制，再继续发送，于是就保证了量子通信的绝对安全。

量子与瞬间移动

在《星际迷航》等科幻大片里，瞬间移动是必备神技之一。哆啦a梦的任意门也是很多人向往的。“量子态隐形传输”能否实现瞬间移动神技和任意门吗？

“量子态隐形传输”是基于量子叠加和量子纠缠的特性，就是甲地某一粒子的未知量子态，可以在乙地的另一粒子上还原出来。其实传输的是粒子的量子态，而不是粒子本身。这种状态传送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬间移动”。

现在，在光子、原子等层面已经实现了量子态隐形传输。电影里“大变活人”在原理上是允许的，但目前还远远做不到。因为科幻电影里人的传送，不仅需要把人的实体部分的大量原子、分子传送，并且严格按照原来的相对位置重新排列起来，更何况重现意识和记忆就更复杂了。不过，随着科学的发展和技术的进步，也许未来我们还是可以实现人的量子隐形传态，到那时星际旅行就不是梦啦。

量子计算机与量子大脑

将来机器会不会像《变形金刚》里一样被装上量子大脑，从而取代人类？

所谓量子大脑，其实就是当今正在研制中的量子计算机。未来的量子计算机可能会对人工智能起到极大的帮助，在数据搜索、分析和处理方面提供远远超过目前经典计算机的运算能力。

机器人都是预先设置好程序的，而人是有意识和自由意志的。研究发现，人脑中的思维机制与量子叠加、量子纠缠或许存在相似之处。所以也有学者认为，未来可望创造出与人脑一样运行的人工智能机器人。真到这种程度，机器与生物之间的界限已经非常模糊。这目前还只是一种畅想，未来究竟怎样还得拭目以待。

“墨子号”量子卫星

“墨子号”是中科院空间科学先导专项中首批确定立项研制的4颗科学实验卫星之一，它的成功发射和在轨运行，不仅将助力于我国广域量子通信网络的构建，服务于国家信息安全，还将开展对量子力学基本问题的空间尺度实验检验，加深人类对量子力学自身的理解。

“墨子号”重约640千克，设计寿命为两年，运行在高度约500千米的极地轨道。目前正在进行卫星平台的测试工作，后续将开展有效载荷的自测试、地面站配合的载荷测试、天地一体化链路测试等工作。所有测试完成后，将在首席科学家的领导下，由科学应用系统组织完成星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务，实现专项预定的科学目标。