寧缺

通信，從生命產(chǎn)生自我意識的那一刻就開始出現(xiàn)，是人類文明發(fā)展過程中不可或缺的重要一環(huán)。從最開始通過聲音、動作甚至是眼神來傳遞信息，到古代的快馬送信、飛鴿傳書以及烽火報警、擊鼓傳令等手段，通信方式的進步快得令人驚嘆。而如今只要一個電話，即使遠在萬里之外也能聽到親人的聲音；通過網(wǎng)絡(luò)，就算隔著整個太平洋，也能夠輕松地與朋友“面對面”聊天。

有的同學(xué)可能會問，現(xiàn)代社會的通信方式已經(jīng)如此先進了，它還有進步的空間嗎？答案當然是“有”，而且科學(xué)家們早就有了研究方向——量子通信，一種利用量子力學(xué)的全新通信手段。像美國、日本以及歐洲的一些發(fā)達國家，都已經(jīng)在量子通信方面取得了不錯的成績。

對于量子通信的研究，中國自然不甘人后。2016年8月16日，我國成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星（以下簡稱“量子衛(wèi)星”）“墨子號”發(fā)射升空，這標志著中國在量子通信的道路上邁出了重要的一步。

什么叫“量子”？

物質(zhì)似乎是可以被無限細分下去的：分子、原子、原子核、質(zhì)子……但量子理論認為，物質(zhì)和能量都存在最小的不可分割的基本單位，這個基本單位就是“量子”。舉個例子，光子就是光能量的最小單位，所以不可能存在“半個光子”。

“墨子號”織就“天地網(wǎng)”

“墨子號”量子衛(wèi)星重約640千克，運行在高度約500千米的極地軌道，設(shè)計壽命為兩年。而這顆量子衛(wèi)星之所以叫作“墨子號”，是因為墨子最早提出光線沿直線傳播，設(shè)計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。以中國古代偉大科學(xué)家的名字命名量子衛(wèi)星，也將提升我們的文化自信。

根據(jù)科學(xué)研究需要，我國目前已建成一個天地一體化量子科學(xué)實驗系統(tǒng)，包括位于太空的“墨子號”量子衛(wèi)星和一個地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。

中國量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士介紹，如果說地面量子通信構(gòu)建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的“網(wǎng)”，那么“墨子號”量子衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標槍”。當這張縱橫寰宇的量子通信“天地網(wǎng)”織就，海量信息將在其中來去如影，并且“無條件”安全。

量子通信的基礎(chǔ)——量子疊加和量子糾纏

量子疊加就是指一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。這是什么意思呢？就是說一個粒子的量子態(tài)是同時處于多種狀態(tài)中的，打一個不是很恰當?shù)谋确?，比如一個人身處量子世界，那他既是健康狀態(tài)，又是疾病狀態(tài)。不過，當你觀察到這個量子態(tài)的粒子的時候，它就會表現(xiàn)出確定的狀態(tài)。這就是量子世界的神奇之處。

而關(guān)于量子糾纏，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子實驗室的郭光燦院士曾經(jīng)用一個有趣的比方來形容這種特性。在美國的女兒生下孩子那一瞬間，遠在中國的媽媽就自動升級成外婆，即使這位媽媽自己并不知情。之所以媽媽一定會成為外婆，就是因為她和女兒之間有一種“糾纏”關(guān)系。當兩個微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個會立刻感受到，并做出相應(yīng)改變。

量子通信其實就是利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通信方式。我們事先構(gòu)建一對具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方。當一端的人觀察到手中的粒子狀態(tài)后，立刻就能得知另一端的人手中的粒子狀態(tài)。再通過一些技術(shù)性操作，不就實現(xiàn)了某種程度上的信息傳遞了么？

APT技術(shù)功不可沒

2016年8月26日凌晨，興隆量子通信地面站成功實現(xiàn)了與“墨子號”的天地對接（天上的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息通道與地面上的通信站數(shù)據(jù)信息通道，實現(xiàn)標準規(guī)范轉(zhuǎn)換接通，投入運行），并接收到850納米的通信信號，是幾個地面量子通信站中首個完成對接測試實驗的地面站。

由于激光通信中的通信光束非常窄。為了確保接收方能夠接收到足夠強的信號能量，必須保證通信光束與系統(tǒng)光軸的誤差控制在誤差范圍以內(nèi)，APT技術(shù)正是確保了這一高精度要求。因此，APT技術(shù)在星地激光通信中扮演著極為重要的角色。

天地對接的順利實現(xiàn)，標志著量子通信通路已被打通，相信以后“墨子號”會帶給我們更多的驚喜。