天上傳來不可破解的密碼

隨著神舟十一號飛船返回艙著陸，兩名航天員的平安落地，絢麗天宮中的數十項有趣實驗，備受矚目。上期本號帶大家開啟了神奇的天上宮闕之旅，本期小編將繼續帶您看看這些有趣的太空實驗。

天上傳來不可破解的密碼

科學家將利用天宮二號開展空地量子密鑰分配與激光通信實驗，從太空向地面發送不可破解的密碼。這個實驗與 2016 年 8月升空的世界首顆量子衛星「墨子號」上的量子密鑰分發實驗一樣，目的是建立最安全保密的量子通信，為中國打造堅不可摧的通信系統鋪平道路。

中國科學院院士潘建偉說： 「這意味著，中國正從經典信息技術的跟隨者轉變成未來信息技術的並跑者乃至領跑者。

奇異的量子世界

量子是微觀世界裡最小、不可分割的基本單位。比如，人們日常生活中常見的光就是由大量光量子組成的。量子世界以一種神秘、有趣的方式運行，量子有許多不同於宏觀物理世界的奇妙特性，被認為是科學界最玄妙的話題，至今仍充滿爭議。

量子力學描述世界的語言與經典力學有根本的區別。經典力學描述一個物體的狀態，會給出它的明確位置；量子力學描述一個微觀粒子的狀態，給出的則是疊加態——這個粒子在某些情況下既可能在這裡，也可能在那裡，沒有確定的位置。當對其觀測時，量子疊加態將隨機地以一定的概率呈現不同態的性質。

描述量子疊加的著名思想實驗是量子理論創始人之一、奧地利物理學家薛定諤提出的有關一隻貓的實驗，因而被稱為「薛定諤的貓」。在這個假想的實驗中，一隻貓被關在盒子里，盒子中還有一個原子核，它有 50% 的可能會發生衰變，而衰變將會放出一個粒子，粒子再觸發毒氣釋放裝置。在不打開盒子觀察的情況下，原子核處於衰變和未衰變的疊加態中。在這種狀態下，貓既是死的又是活的。

薛定諤是用這個假想實驗來強調量子理論所描述的「荒謬性」。根據量子理論，這隻未觀測到的貓既是死的也是活的，直到你對它的觀察使得它要麼死掉要麼活著，兩者擇其一。

那隻既死又活的貓總像噩夢一樣讓物理學家們不得安寧……量子物理世界的另一個奇異現象是糾纏效應。量子糾纏可以把兩個或更多粒子的命運關聯在一起。即使隔著一個太陽系，這一奇特關聯中的粒子也是「心心相印」的。當測量其中一個的狀態時，另一個的狀態也會即刻發生相應地改變。

比喻得形象點兒，這就如同兩張相距甚遠的紙張，人們在其中一張紙上書寫的時候，另一張紙上會立刻顯現出所書寫的信息。愛因斯坦對這種「幽靈般的超距作用」嗤之以鼻，更願意相信這背後有某種隱藏的物理作用。然而，1972 年，美國物理學家克勞澤等通過實驗證實，微觀粒子「遙遠地點之間的詭異互動」現象真實存在著。

但是為什麼會有這種現象呢？科學家現在也不知道。

如果你覺得量子物理太匪夷所思、難以理解也是正常的，因為科學家也有同感。

「當你思考量子理論時如果沒有感到眩暈，」量子力學創始人之一——尼爾斯·玻爾說，「你就還沒理解它。」驕傲而聰明的美國物理學家理查德·費曼對量子力學的理解比任何人都深刻，他曾寫道：「我的那些物理專業的學生也不理解量子力學，因為我自己就不理解。」愛因斯坦被公認為是 20 世紀最偉大的物理學家——頗具諷刺地成為量子理論的奠基者之一——他從來都不喜歡量子概率，還常說他不相信上帝會擲骰子。

許多物理學家相信，量子力學一定還有某些「秘密」尚待發現。

量子「矛」「盾」

儘管神秘、令人琢磨不透的量子力學還迷霧重重，科學家們卻已經在開發、利用量子世界了。

從電腦到激光，從核能到生物技術，幾乎沒有哪個領域不依賴量子理論。量子力學推動和造就了現代世界，全球經濟的 1/3 依賴於以量子力學為基礎的產品。

但其實，人類還只消化了量子世界奇異特性的很小一部分。中國科學家正在開發威力強大的量子計算機和最安全的量子通信。

量子計算利用量子態的疊加性質，可以實現計算能力的飛躍。「太湖之光」超級計算機需要用 100 年計算的難題，量子計算機或許只需 0.01 秒。

然而，一些人對於量子計算機的恐懼多於期待。有專家指出，對於現有信息安全系統而言，一旦量子計算機橫空出世，它將成為一支「利劍長矛」，可以攻破現在所有的密碼。

所幸的是，量子物理同時提供了解決這一問題的辦法。

如果量子計算機是「利劍長矛」，那量子密鑰就是抵禦它的「堅固盾牌」，它提供了一種不可竊聽、不可破譯的新一代密碼技術。

潘建偉說，量子密鑰分發就是在A和B之間共同生成一串只有他們雙方知道的隨機數，然後用這個隨機數來加密。量子密鑰一旦被截獲或者被測量，其自身狀態就會立刻發生改變，從而一定會被發送方察覺並規避。由於量子密鑰分發是最先實用化的量子信息技術，因此一般所說的量子通信即是指的量子密鑰分發。

潘建偉打了一個形象的比方，古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕迹。量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底，因為一旦有人試圖打開「信件」，量子密鑰就會讓「信件」自毀，並讓使用者知曉。

利用量子糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式就叫量子通信。量子通信在國防、軍事、金融等領域的應用前景十分廣闊。有專家預測，量子通信技術可能在 20 ～ 30 年後對人類社會的發展產生難以估量的影響。量子通信因其傳輸高效和絕對安全等特點，被認為是下一代通信和計算機技術的支撐性研究，也已成為全球物理學研究的前沿與焦點領域。

然而科學家發現，理論上量子通信在光纖中最遠能做到 400 千米，再遠就做不下去了。而量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，從太空向地面發送信號。大氣厚度只相當於水平 8 ～ 10 千米，80% 的光可以穿透大氣。

在量子密鑰分發實驗中，天宮二號上的儀器產生光子並發射光子，與之對接的地面系統負責接收光子。然而，要做到天地互動並不容易，這就像是「針尖對麥芒」。

中國科學院上海技術物理研究所研究員王建宇說：「這樣的對準精度就好比我們在 1 萬米高空的飛機上向地面一個一個扔硬幣，這些硬幣要準確投入儲蓄罐狹長的投幣口內，而儲蓄罐還在慢慢旋轉中；或者說要從上海發射一束光瞄準北京任何一扇窗戶，指哪兒打哪兒。」

潘建偉團隊還計劃在未來的空間站開展「量子調控與光傳輸研究」，試驗星間量子通信技術、全天時量子通信技術等，同時進行量子密鑰組網試應用。

築夢天宮：從萬戶飛天到中國空間站

中國科學院空間應用工程與技術中心，新華社對外部中國特稿社 編著

北京：科學出版社，2016.11

ISBN 978-7-03-050307-7

2016年9月，隨著天宮二號的順利升空，中國空間站建設的大幕正式拉開。《築夢天宮：從萬戶飛天到中國空間站》以通俗易懂的語言、精美生動的圖片，記錄了中國人從萬戶飛天以來的太空探索歷程，描述了在中國首個太空實驗室天宮二號上進行的諸多意義重大的科學實驗，向廣大讀者立體呈現出了空間科學實驗的無窮魅力。同時，全書描寫刻畫了多位中國空間研究與應用科學家代表，展現了我國科學家不斷追求卓越、勇於創新實踐的科學精神。

（本期編輯：安靜）

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