〇吾悅

“墨子號”衛(wèi)星與高冷量子學(xué)

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2016年8月16日1時40分，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心一顆科學(xué)試驗衛(wèi)星成功升空。這顆衛(wèi)星不僅有著高大上的名字——“墨子號”，還有著高冷背景——它肩負(fù)的是探索星地量子通信的使命。它的升空引發(fā)了普通大眾對最前沿科學(xué)領(lǐng)域——量子學(xué)的關(guān)注。這期就讓我們一起跟隨高大上的“墨子號”走進(jìn)量子世界。

我們都知道分子、原子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子?？墒沁@只是我們對宏觀世界的淺顯認(rèn)識。隨著科學(xué)研究的不斷推進(jìn)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)量子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小單元，不存在“半個光子”，同理，也不存在“半個氧原子”“半個水分子”等等。

量子是現(xiàn)代物理的重要概念，主要表現(xiàn)在微觀物理世界。量子不但可用于表述物質(zhì)構(gòu)成，還能用于能量、角動量、自旋、電荷等其他物理量的研究。在量子世界中有兩個基本原理：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。著名的“薛定諤的貓”理論曾經(jīng)形象地表述為“一只貓可以同時既是活的又是死的”。量子糾纏類似孫悟空和他的分身，二者無論距離多遠(yuǎn)都“心有靈犀”。當(dāng)兩個微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠(yuǎn)，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，并做相應(yīng)改變。量子科技已經(jīng)在方方面面影響著我們的日常生活，目前正在廣為使用的計算機(jī)、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、時間標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)航，包括醫(yī)院里的磁共振成像等，無一不得益于量子科技。

量子技術(shù)與信息安全

現(xiàn)代社會已經(jīng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)信息時代，然而隨之而來的是信息安全問題。這不僅牽涉國家機(jī)密，普通百姓也難逃影響。個人的網(wǎng)上銀行、手機(jī)支付、信用卡信息泄露事件時有發(fā)生，就連QQ號也經(jīng)常被不法分子盜用等。面對信息安全危機(jī)，量子通信技術(shù)充當(dāng)了救世主的角色，它為信息科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展筑起了堅實的基礎(chǔ)。

量子通信指的就是量子密鑰分配技術(shù)。量子密鑰分配技術(shù)利用“單量子不可克隆定理”來實現(xiàn)密鑰配送的絕對安全?！安豢煽寺《ɡ怼笔侵噶孔恿W(xué)中對任意一個未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制的過程是不可實現(xiàn)的，因為復(fù)制的前提是測量，而測量一般會改變該量子的狀態(tài)。

傳統(tǒng)光通信是通過光的強(qiáng)弱變化傳輸信息。從中分出一丁點光并不影響其他光繼續(xù)傳輸信息，測量這一丁點光原理上就能竊取信息。量子通信則完全不同！竊聽者如果想攔截量子信號，并對其進(jìn)行測量，將不可避免地破壞攜帶密鑰信息的量子態(tài)。這種破壞必然會被信息發(fā)送者和接收者所發(fā)現(xiàn)。根據(jù)“不可克隆定理”，同樣不可以不破壞傳輸?shù)牧孔討B(tài)，只截取并復(fù)制，再繼續(xù)發(fā)送，于是就保證了量子通信的絕對安全。

量子與瞬間移動

在《星際迷航》等科幻大片里，瞬間移動是必備神技之一。哆啦a夢的任意門也是很多人向往的?！傲孔討B(tài)隱形傳輸”能否實現(xiàn)瞬間移動神技和任意門嗎？

“量子態(tài)隱形傳輸”是基于量子疊加和量子糾纏的特性，就是甲地某一粒子的未知量子態(tài)，可以在乙地的另一粒子上還原出來。其實傳輸?shù)氖橇Ｗ拥牧孔討B(tài)，而不是粒子本身。這種狀態(tài)傳送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬間移動”。

現(xiàn)在，在光子、原子等層面已經(jīng)實現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸。電影里“大變活人”在原理上是允許的，但目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到。因為科幻電影里人的傳送，不僅需要把人的實體部分的大量原子、分子傳送，并且嚴(yán)格按照原來的相對位置重新排列起來，更何況重現(xiàn)意識和記憶就更復(fù)雜了。不過，隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，也許未來我們還是可以實現(xiàn)人的量子隱形傳態(tài)，到那時星際旅行就不是夢啦。

量子計算機(jī)與量子大腦

將來機(jī)器會不會像《變形金剛》里一樣被裝上量子大腦，從而取代人類？

所謂量子大腦，其實就是當(dāng)今正在研制中的量子計算機(jī)。未來的量子計算機(jī)可能會對人工智能起到極大的幫助，在數(shù)據(jù)搜索、分析和處理方面提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前經(jīng)典計算機(jī)的運算能力。

機(jī)器人都是預(yù)先設(shè)置好程序的，而人是有意識和自由意志的。研究發(fā)現(xiàn)，人腦中的思維機(jī)制與量子疊加、量子糾纏或許存在相似之處。所以也有學(xué)者認(rèn)為，未來可望創(chuàng)造出與人腦一樣運行的人工智能機(jī)器人。真到這種程度，機(jī)器與生物之間的界限已經(jīng)非常模糊。這目前還只是一種暢想，未來究竟怎樣還得拭目以待。

“墨子號”量子衛(wèi)星

“墨子號”是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項中首批確定立項研制的4顆科學(xué)實驗衛(wèi)星之一，它的成功發(fā)射和在軌運行，不僅將助力于我國廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，服務(wù)于國家信息安全，還將開展對量子力學(xué)基本問題的空間尺度實驗檢驗，加深人類對量子力學(xué)自身的理解。

“墨子號”重約640千克，設(shè)計壽命為兩年，運行在高度約500千米的極地軌道。目前正在進(jìn)行衛(wèi)星平臺的測試工作，后續(xù)將開展有效載荷的自測試、地面站配合的載荷測試、天地一體化鏈路測試等工作。所有測試完成后，將在首席科學(xué)家的領(lǐng)導(dǎo)下，由科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)組織完成星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項科學(xué)實驗任務(wù)，實現(xiàn)專項預(yù)定的科學(xué)目標(biāo)。