（一）不講道理的奇怪世界

　　早在今年8月16日凌晨1時40分，中國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丁運載火箭發(fā)射了世界第一顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”。約十一分半后星箭分離，順利進入了距離地面500千米的太陽同步軌道。這是人類歷史上第一顆嘗試運用量子信息技術(shù)來實現(xiàn) “天地交流” 的衛(wèi)星。該衛(wèi)星取名為“墨子”號，這位2000多年前的先人最早提出了光是直線傳播并設(shè)計了小孔成像實驗。"墨子"號是繼“悟空”暗物質(zhì)衛(wèi)星、“實踐十號”微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星后的第三顆科學(xué)衛(wèi)星，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中科院上海技術(shù)物理研究所共同研制，于2012年正式立項。那么“墨子”到底要做什么呢？量子又是啥東東？量子隱形傳態(tài)又是幾個意思呢？

量子通信衛(wèi)星示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

　　首先，很多人以為量子就是指非常非常小的粒子，比原子更小，比質(zhì)子還小。后半句半對半錯，前半句基本不對?！傲孔印币辉~最早是普朗克在研究黑體輻射的過程中提出的，剛開始他稱為“作用量子”（Quantum of action）。1900年12月14日——被量子理論先驅(qū)之一的索末菲稱之為“量子理論誕辰日”的這天，普朗克在柏林物理學(xué)會上宣讀了那篇具有跨時代意義的論文《正常光譜能量分布律理論》，得到一個重要結(jié)論：能量是由確定數(shù)目的、彼此相等的、有限的能量包構(gòu)成。“量子”指的是微觀世界的一種行為傾向，分子、原子、基本粒子（如光子、電子等）都有可能是量子態(tài)的粒子，量子態(tài)的粒子會呈現(xiàn)明顯的波粒二象性。隨著量子概念的提出，就仿佛打開了潘多拉魔盒，引發(fā)整個物理世界一場“混戰(zhàn)”；同時，隨著量子理論的發(fā)展，這個真實的世界越來越讓我們“看不懂”了。

量子物理先驅(qū)之一普朗克（來源：網(wǎng)絡(luò)）

　　就如前文所說，所謂“量子”指的是粒子的能量是一份一份的，離散而非連續(xù)，就好比骰子上只有1、2、3、4、5、6這六個數(shù)，沒有2.3這個數(shù)。再舉個更生活化的例子，點心店里賣大饅頭、也賣小饅頭，但是這些饅頭都是一個一個且掰不開（就是這種新品種，至于為什么你管不著），所以你也只能一口一個這么吃。然而更奇怪的是，按我們生活常理，如果我吃兩個大饅頭能飽的話或許我吃6個小饅頭也能飽，然而在量子的世界不是這樣，要么大饅頭一吃就飽，要么吃再多的小饅頭也不能飽。這里也只是一個比方，就是指電磁波頻率越高，能量越大，照射到金屬上的光必須頻率高到一定程度如紫外光才能激發(fā)出金屬上的電子，頻率不到，照射時間再長也打不出電子。量子的世界就是這樣“無厘頭”，然而這僅僅是冰山一角。

太陽能電板發(fā)電原理就是來自光電效應(yīng)（來源：網(wǎng)絡(luò)）

　　物理的研究對象是自然界各種各樣的存在，而粒子是存在的基本形態(tài)，各種物質(zhì)都可以認為是由粒子組合的。對物質(zhì)的描述實際就是對粒子的其狀態(tài)的描述。牛頓力學(xué)中指出要確定并預(yù)測物質(zhì)或粒子的狀態(tài)就需要描述位置和速度（或能量）。這很好理解，我們觀察一輛汽車某一瞬時的狀態(tài)（位置和速度在x, y, z三個方向上的分量）就能預(yù)測其下一瞬時的狀態(tài)，這就是經(jīng)典物理，描述的是經(jīng)典粒子。然而我們世界中真正存在的量子粒子卻偏偏不是這樣。起初并不太看重實驗的海森堡最終意識到了光學(xué)儀器分辨率的不簡單，他發(fā)現(xiàn)光學(xué)儀器分辨率并不是可以無限提升，想看多小就看多小的。他提出了著名的“測不準原理”，就是說粒子小到一定程度，你要么就測它的位置，要么就測它的能量，兩者不可兼得。并且，如果要測得足夠小，那就要求用來觀測所使用的光的波長足夠小，這樣頻率就高了，于是又會影響到粒子的狀態(tài)，又測不準了。

 海森堡測不準原理：要么測粒子的位置，要么測粒子的能量（速度）（來源：zazzle.com）

　　量子世界中存在這個神奇的“翹翹板”，一頭坐著位置，一頭坐著速度，它們此消彼長，不能同時處在地面（測準），這就是“疊加態(tài)”——所以速度的完全確定就導(dǎo)致了位置的完全不確定。而位置的完全確定又導(dǎo)致了速度的完全不確定。一個有完全確定速度的粒子狀態(tài)，是所有不同位置的粒子狀態(tài)的一個疊加。一個有完全確定位置的粒子狀態(tài)，是所有不同速度的粒子狀態(tài)的一個疊加。聽著既拗口又別扭是吧？對！量子的世界就是這樣虐心！如今薛定諤的那只小貓咪早已家喻戶曉。就如“宇宙大爆炸”一樣，起初都是對該理論的質(zhì)疑或調(diào)侃，不曾想這些名稱卻變得那么地形象，家喻戶曉，甚至成為該理論的標簽。薛定諤的貓指的是密閉的房子里有一直貓咪，房子連著一個毒氣瓶，由一個有50%衰變概率的粒子控制，粒子衰變就會觸動機關(guān)打碎毒氣瓶，貓咪就死了。然而在不打開房子前，你并不知道貓咪是活著還是死了，它是“又活又死”或是“不活不死”的（不是半死不活），死和活是0和1這種對立關(guān)系，這種既可能是0又可能是1，就是一種疊加態(tài)。還有我們知道光的波粒二象性，就是既有波的特性，又有粒子特性，要么觀測波（如雙縫干涉實驗），要么觀測粒子（如光電效應(yīng)），要同時觀察或測量波和粒子兩種狀態(tài)，很難很難。

　　總之，量子世界就是三個字——不知道。在使用某一種觀測手段對其進行觀測前，你不知道那些粒子到底是什么狀態(tài)，一旦觀測到其中某一種狀態(tài)往往就決定了你只知道這一種狀態(tài)，而另外的狀態(tài)也就不存在，你無法同時知道，前面所講的疊加態(tài)被打破了，這就是所謂的波函數(shù)塌縮，這就是所謂觀測決定了狀態(tài)。所以用一句很“量子”的話來說就是——量子物理是“眼見為實”，而不是“眼見為實”的——前者意思是“確實”，后者意思是“真實”。我們只有通過觀測才能確定下某種狀態(tài)，但這卻又不見得是真實的情況。

（二）不可破解的量子密鑰

　　觀測的方法決定了粒子的狀態(tài)，聽上去匪夷所思，而且怎么感覺有點“唯心主義”？然而無數(shù)實驗證明，我們的世界就是這樣，不管你信不信，不管你服不服，必須接受。

　　在很多科學(xué)理論發(fā)展之后，就會有人提出“有什么用”的問題?？茖W(xué)家也不例外。他們發(fā)現(xiàn)了量子特性的其中一項非常重要的應(yīng)用——量子通信，更確切地說是量子加密通信。

　　傳統(tǒng)的加密方式是這樣：A將信息進行一定的數(shù)學(xué)運算，編制成一段看上去無意義信息（加密），傳遞給B；而B則需要進行相應(yīng)的“逆運算”，再把無意義的信息翻譯過來還原成本來面目（解密）。不過這一過程要求A將密碼本傳遞給B，或者事先約定。傳遞密碼本很難保證絕對安全，即便在信息化的今天，依然如此，各種竊聽手段做的就是這事情。而且如今在億億次每秒這樣強大的計算機的支持下，即便他人沒有獲得密碼本，也可以通過一定的算法，甚至是暴力方式破解密碼。RSA512算法在1999年就被破解，RSA768在2009年被破解，MD5和SHA-1兩大密算也已告破。而在量子計算面前，傳統(tǒng)算法被碾壓式擊敗。經(jīng)估算，利用經(jīng)典的THz級計算機破解300位的大數(shù)需要15萬年，而使用Shor量子分解算法只需要1秒鐘！

傳統(tǒng)加密方法（來源：網(wǎng)絡(luò)）

　　如果采用量子通信方式或許可以解決這個問題。目前實用化的量子密碼是基于查理斯?本內(nèi)特（Charles Bennett）和吉勒?布拉薩（Gilles Brassard）在1984年提出的BB84協(xié)議。該協(xié)議把密碼以密鑰的形式分配給信息的收發(fā)雙方，因此也稱作“量子密鑰分發(fā)”。該協(xié)議利用光子的偏振態(tài)來傳輸信息。振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性稱為偏振，現(xiàn)在很多太陽鏡就是偏振鏡。

　　高能預(yù)警：下面要開始解釋量子加密通信的原理了，請把安全帶扣好系緊。

　　光子有兩個偏振方向，而且相互垂直，所以信息的發(fā)送者和接收者都可以簡單地選取90度的測量方式，記作“+”，或45度的測量方式，記作“×”，來測量光子。在90度的測量方式中，偏振方向“↑”代表狀態(tài)0，偏振方向“→”代表狀態(tài)1；在45度的測量方式中，偏振方向“↗”代表狀態(tài)0，偏振方向“↘”代表狀態(tài)1。一方面，對于偏振方向“↑”或偏振方向“→”的光子，如果選擇“+”來測量，得到的結(jié)果仍是原來的偏振方向；如果你選擇“×”方向去測量，不論光子原來偏振方向如何，你都會隨機得到“↗”或者“↘”的光子，幾率各為50%。另一方面，但是如果選擇“+”來測量偏振態(tài)“↗”或“↘”，測量結(jié)果有50%的幾率為“→”，50%的幾率為“↑”；如果選擇“×”來測量“→”或“↑”，測量結(jié)果有50%的幾率為“↗”，50%的幾率為 “↘”。

　　光的偏振示意圖，對偏振方向“↑”的光子用“×”方向去測量會得到“↗”或者“↘”的光子，幾率各為50%（來源：phys.nchu.edu.tw）

　　大家應(yīng)該知道現(xiàn)代計算機使用的是0和1的二進制碼，一個0或1被成為bit，音譯過來就是比特。為了加以區(qū)別，這種傳統(tǒng)的二進制方式被叫做“經(jīng)典比特”。在量子信息學(xué)中相應(yīng)的二進制碼叫一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態(tài)。一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態(tài)。

　　為了生成一組二進制密碼，發(fā)送者Alice首先隨機生成一組二進制比特，我們稱之為“發(fā)送者的密碼比特”。同時發(fā)送者對每個“發(fā)送者的密碼比特”都隨機選取一個測量模式（“+”或者“×”），然后把在這個測量模式下，每個“發(fā)送者的密碼比特”對應(yīng)的偏振狀態(tài)的光子發(fā)送給接受者。比如下圖中傳輸一個比特1（藍色），選擇的測量模式為“+”，則發(fā)送者需要發(fā)出一個偏振態(tài)為“↑”的光子，再傳輸一個比特0（紫色），選擇的測量模式為“+”，發(fā)出一個偏振態(tài)為“→”的光子，以此類推。

量子密碼示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

　　接受者Bob也必須對接收到的每個比特隨機選擇“+”或者“×”來測量，測量結(jié)果記錄也對應(yīng)好記作一組0和1的列表。當接收者獲得全部測量結(jié)果后，他將通過經(jīng)典信道（電話、電報、短信、微信等）與發(fā)送者聯(lián)系，互相分享各自采用過的測量方式。這時，他們只保留相同的測量方式（“+”或者“×”）的數(shù)據(jù)，舍棄不同的測量方式的數(shù)據(jù)。保留下來的測量方式所對應(yīng)的二進制比特，就是他們最終生成的密碼，如上圖中最后一行才是密碼。

　　就是因為存在這種奇怪的不確定性，對竊聽者來說就增加了很大的難度。他也同樣要隨機地選取“+”或者“×”來測量發(fā)送者發(fā)送的比特。例如發(fā)送者的測量方式為“+”，選擇發(fā)送“→”來代表1，那么如果竊聽者選取的測量方式也為“+”，他就不會被察覺。但是因為獲者是隨機選取測量方式，他有50%的概率選擇“×”，這樣，量子力學(xué)的測量概率特性使光子的偏振就有50%的概率變?yōu)椤皑J”，有50%的概率變?yōu)椤皑K”。而且，由于光子偏振狀態(tài)會受到觀測的影響，如果接收方測量的是經(jīng)過截獲的光子，即光子的偏振已經(jīng)因為量子測量已經(jīng)坍縮成了50%的概率“↗”和50%的概率“↘”，接收方測量的最終結(jié)果便會變?yōu)?0%的概率“↑”和50%的概率“→”。于是，當接收方再去測量這個光子偏振的時候，就會產(chǎn)生概率為50%×50%=25%的與發(fā)送方不同的測量結(jié)果。換言之，即便是有竊聽者，發(fā)送者與接受者也能立刻發(fā)覺，可以立即關(guān)閉通信，重新再發(fā)密碼。

　　由于存在量子不可分割、量子不可克隆、測不準等特點，再加上加密過程是一次一密，完全隨機，所以無論如何，竊聽者都無法達到竊聽的目的。所以，量子密碼本身可以說從根本上保證了傳輸信息過程的安全性。然而，他可以來個“魚死網(wǎng)破”，無法竊聽那就去干擾你破壞正常的密碼通信；或者，對經(jīng)典信道進行竊聽，從而去做一定的猜測。所以從某種意義上講，這種量子通信方式依然還有短板存在。

量子保密通信的優(yōu)點（來源：網(wǎng)絡(luò)）

　　（三）令人期待的未來世界

　　前文介紹了量子密碼通信，這里再介紹另一種量子通信方式，也是“墨子”號所使用的方式。

　　量子疊加態(tài)是量子物理中最神秘也是最基本的特性

　　，而量子糾纏是多粒子的一種疊加態(tài)。比如說同時產(chǎn)生的一堆雙粒子，粒子A可以處于某個物理量的疊加態(tài)，另一個粒子B同時也可以處于某個物理量的疊加態(tài)。當這兩個粒子發(fā)生所謂的糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態(tài)，就稱之為糾纏態(tài)。奇怪的是，粒子的糾纏態(tài)是沒有距離限制的，無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處于0態(tài)時，B粒子必定處于1態(tài)；反之，當A粒子處于1態(tài)時，B粒子必定處于0態(tài)。影響雙方的量子糾纏是跨越時空瞬間產(chǎn)生的，愛因斯坦認為這違反了他的相對論，因此提出強烈質(zhì)疑，并稱其為“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance)。

     　　
量子糾纏示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

　　為了招安這個叛逆，科學(xué)家提出了“隱變量理論”來解釋這種超距相互作用，然而，不幸的是后來越來越多的實驗都力挺量子力學(xué)，反而把“朝廷”頒布的“隱變量理論”詔書宣判了死刑。從此，量子力學(xué)與愛因斯坦改良后的經(jīng)典力學(xué)分庭抗禮。

　　我們都知道量子力學(xué)為現(xiàn)代計算機的發(fā)展發(fā)揮了巨大作用，我們的芯片越來越小，速度越來越快，但曾經(jīng)神奇的“摩爾定律”似乎也遇到了瓶頸。這個技術(shù)說到底還是基于經(jīng)典力學(xué)的，二進制碼0和1是通過高低電平控制半導(dǎo)體的通路與斷路。隨著量子力學(xué)體系的完善，量子技術(shù)的應(yīng)用就成為人類的下一目標，量子信息學(xué)就此誕生。在量子信息學(xué)中，量子糾纏就不僅僅是一個基礎(chǔ)理論了，而是作為量子信息科技的核心。

　　在量子信息范疇，就要求真正地使用量子技術(shù)，我們把利用量子糾纏態(tài)的量子通信就是叫量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）。通俗地講就是使用量子糾纏的原理和量子技術(shù)傳送量子的狀態(tài)，這里的“隱形”也只是一個比喻。所要傳送的量子的狀態(tài)就是量子比特，一個量子比特就是0和1的疊加態(tài)。但是需要指出的是，經(jīng)典比特的0和1是兩個值，而量子比特的0和1可以看作兩個向量，一個量子比特可以是0和1這兩個向量的所有可能的組合（好比是兩個向量之間可以有各種角度），因此理論上講一個量子比特的值有無限個。

　　那么量子隱形傳態(tài)實現(xiàn)的原理又是什么呢？

　　第一步，制備。制備一個糾纏粒子對。將1個粒子發(fā)送到A點，另一個粒子發(fā)送至B點。

　　第二步，測量。在A點，另一個粒子3攜帶一個想要傳輸?shù)牧孔颖忍豎。于是A點的粒子1和B點的粒子2對與粒子3一起會形成一個總的糾纏態(tài)。這時候如果在A點同時測量粒子1和粒子3，得到一個測量結(jié)果。如此以來，這個測量會使粒子1和粒子2的糾纏態(tài)坍縮掉，粒子1會呈現(xiàn)0或1的狀態(tài)，相應(yīng)的粒子二就會呈現(xiàn)1或0的狀態(tài)。但同時粒子1和和粒子3卻糾纏到了一起。

　　第三步，通知。A點的人利用經(jīng)典通訊方式，電話、電報、短信、微信都可以，把自己的測量結(jié)果告訴B點的人。

　　第四步，探知。B點的人收到A點的測量結(jié)果后，就知道了B點的粒子2處于哪個態(tài)。只要對粒子2稍做一個簡單的操作，它就會變成粒子3在測量前的狀態(tài)，如此，也就是說，B點的人在沒有見到粒子3的情況下，就可以獲得粒子3所攜帶的量子比特。

量子隱形傳態(tài)示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

　　就這樣，通過量子隱形傳態(tài)的方法，即通過量子糾纏把一個量子比特無損地從一個地點傳到另一個地點。需要注意的是，其中第三步仍然需要依靠經(jīng)典信息傳輸而且不可忽略，而這種傳輸方式顯然是無法超過光速的，因此量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速度也沒有違反相對論，也沒有違反因果律。

　　進行量子隱形傳態(tài)試驗，這就是“墨子”號要做的事情?！澳印碧枙诳罩邢騼蓚€地面接收站分發(fā)一個糾纏光子對，然后讓兩地同時進行測量，這樣就解決了高速傳遞密鑰的問題，利用量子糾纏來實現(xiàn)量子比特的傳輸，這才是真正意義上的量子通信，也有望實現(xiàn)真正“不可破解”的保密通信。此外，考慮到量子計算需要直接處理量子比特，于是可以直接傳送量子比特的量子隱形傳態(tài)毫無疑問將成為未來首選的量子通信方式。未來量子互聯(lián)網(wǎng)將是“一步登天”的，即由地面量子通信網(wǎng)絡(luò)、量子計算機終端、量子通信衛(wèi)星和量子隱形傳態(tài)技術(shù)一同構(gòu)成。未來的量子信息時代妙不可言！