量子通信首次衛星實驗

即將到來的量子信息革命

20世紀初，普朗克、愛因斯坦、玻爾開創了量子物理學研究。隨後，海森堡、薛定諤、狄拉克等物理學家建立了量子力學。從此，量子物理學沿著兩條路深入地推動著人類文明的發展。

一條路是「自上而下」的，也就是不斷深入微觀世界探索基本粒子。我們經常聽到的「高能物理」（即粒子物理）「大統一理論」「大型強子對撞機」等就是來自這個領域。

另一條路是「自下而上」的，也就是認識我們身邊的各種物質和現象背後的量子力學規律，並在此基礎上發展出各種高新技術來改變世界，例如凝聚態物理、半導體、激光、超導體、納米材料等等方面的研究就屬於這個領域，都離不開量子力學。

在後一條道路上，人們曾經通過半導體和激光技術催生了第一次信息革命，使我們今天能便捷地利用計算機、智能手機和互聯網等各種信息技術。不過，這次信息革命還是屬於「經典信息」的革命，因為我們所處理的還是經典的二進位信息（即0和1，稱為「經典比特」），信息的傳輸和計算也都是基於經典物理學。隨著量子信息科學技術的誕生，這條路逐漸發展到了一個全新的階段，迎接著第二次信息革命的到來，這就是屬於「量子信息」的革命。

量子信息技術是以量子物理學為基礎的新一代信息科學技術，它主要包含兩個方面，一個方面是信息的傳輸，也就是量子通信；另一個方面是信息的處理，也就是量子計算。在量子信息技術中，信息的傳輸和計算都將直接基於量子物理學，處理的是「量子比特」。

其中，量子通信按照應用場景和所傳輸的比特類型又可以分為「量子密碼」和「量子隱形傳態」兩個方向。其中「量子密碼」是利用量子態不可克隆的特性來產生二進位密碼，為經典比特建立不可破譯的量子保密通信。目前量子保密通信已經步入產業化階段，開始保護我們的信息安全。「量子隱形傳態」則是利用量子糾纏來直接傳輸量子比特，將應用於未來量子計算機之間的直接通信。下面，我們就來看看到底什麼是量子密碼和量子隱形傳態。

量子密碼

目前實用化的量子密碼是由查爾斯·本內特（Charles Bennett）和吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）在1984年提出的「BB84協議」，這個協議的名稱來自於這兩位提出者的姓的縮寫和協議發表的年份。這個協議把密碼以密鑰的形式分配給信息的收發雙方，因此也稱作「量子密鑰分發」。BB84協議是利用光子的偏振態來傳輸信息的。

因為光子有兩個偏振方向，而且相互垂直，所以信息的發送者和接收者都可以簡單地選取90°的測量模式，即「+」，或45°的測量模式，即「×」，來測量光子。在90°的測量模式中，光子偏振方向「」代表0，偏振方向「」代表1；在45°的測量模式中，偏振方向「」代表0，偏振方向「」代表1。

這樣選擇測量方式的好處就是，如果選擇「+」來測量偏振態「」或「」時，會得到50%的幾率為「」，50%的幾率為「」。同理，如果選擇「×」來測量「」或「」時，會得到50%的幾率為「」，50%的幾率為 「」。

為了生成一組二進位密碼，發送者首先隨機生成一組二進位比特，我們稱之為「發送者的密碼比特」。同時發送者對每個「發送者的密碼比特」都隨機選取一個測量模式（「+」或者「×」），然後把在這個測量模式下，每個「發送者的密碼比特」對應的偏振狀態的光子發送給接收者。比如要傳輸一個比特「0」，選擇的測量模式為「+」，則發送者需要發出一個偏振態為「」的光子。

接收者這邊也對接收到的每個比特（也就是一個個具有不同偏振態的光子）隨機選擇「+」或者「×」模式來測量，根據同樣的對應關係，就會得到一組由0和1組成的結果。當接收者獲得全部測量結果後，他和發送者之間要通過經典信道（如電話、簡訊、郵件等等）建立聯繫，互相分享各自用過的測量模式。這時，他們只保留相同的測量模式，捨棄不同的測量模式。這些保留下來的測量模式所對應的二進位比特，就是他們最終生成的密碼（見下圖）。

如何防止被竊聽？

傳統信息傳輸過程中，信息截獲者可以截獲密碼或者通過截獲的密文來推算密碼。但是在BB84傳輸的過程中，信息截獲者不可以截獲和破譯密碼。截獲者只能隨機地選取「+」或者「×」來測量發送者發送的密碼比特，例如發送者選取測量基矢「+」，然後發送「」來代表1。如果截獲者選取的也為「+」，他的截獲就不會被察覺。但因為截獲者是隨機選取測量模式，他也有50%的概率選擇「×」，於是量子力學的測量概率特性使光子的偏振就變為了50%的概率為「」和50%的概率為「」。

在後一種（即截獲者選取×來進行測量）情況下，作為接收方如果選取了和發送方同樣的基矢「+」，則會把這個比特當做密碼。但是這裡接收方測量的是經過截獲的光子，這個光子發出時的偏振為「」，但因為截獲者的量子測量已經坍縮成了50%概率的「」和50%概率的「」，那麼，接收方用「+」測量得到的最終結果無論如何都會變為50%的概率「」和50%的概率「」。因此，測量這個光子偏振的時候，發送方和接收方結果不同的概率為50%×50%=25%。

所以，想知道是否存在截獲者，發送方和接收方只需要拿出一小部分密碼來對照。如果發現互相有25%的不同，那麼就可以斷定信息被截獲了。同理，如果信息未被截獲，那麼二者密碼的相同率應該是100%。因此，BB84協議可以有效地發現竊聽。如果發現有人竊聽，就可以關閉通信，或重新分配密碼，直到沒人竊聽為止。

量子比特傳輸

|| 什麼是量子糾纏態？

如前面所述，我們可以用量子密碼給經典二進位信息加密。但是當我們需要傳輸量子比特時，就無法再使用量子密碼了，而需要使用能直接傳輸量子比特的「量子隱形傳態」。為了理解量子隱形傳態，我們首先來了解一下什麼是量子糾纏。

量子力學中最核心也最神秘的概念就是「疊加態」，而「量子糾纏」正是多個粒子的一種疊加態。以雙粒子為例，一個粒子A可以處於某個物理量的疊加態，可用一個量子比特來表示，同時另一個粒子B也可以處於疊加態。當這兩個粒子發生「糾纏」時，就會形成一個雙粒子的疊加態，稱為糾纏態。例如有一種糾纏態就是無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處於0態時，B粒子一定處於1態；反之，當A粒子處於1態時，B粒子一定處於0態。

隨著量子信息學的誕生，量子糾纏已經不僅僅是一個基礎研究，它已經成為了量子信息科技的核心。例如，利用量子糾纏可以完成量子通信中的量子隱形傳態，可以完成一次性操作多個量子比特的量子計算讓更多的粒子糾纏起來是量子信息科技不斷追尋的目標。

|| 量子隱形傳態

了解了量子糾纏，我們就可以理解量子隱形傳態了。科學家已經證實量子糾纏是非局域的，也就是兩個糾纏的粒子無論相距多遠，測量其中一個的狀態必然能同時獲得到另一個粒子的狀態，這個「信息」的獲取是不受光速限制的。於是物理學家自然想到，是否能把這種跨越空間的糾纏態用來進行信息傳輸？這樣，基於量子糾纏態的量子通信便應運而生，這就是「量子隱形傳態」（quantum teleportation）。

雖然借用了科幻小說中的「隱形傳態」（teleportation）這個詞，但量子隱形傳態實際上和科幻中的隱形傳態關係並不大。它是通過跨越空間的量子糾纏來實現對量子比特的傳輸。

量子隱形傳態的過程（即傳輸協議）一般分如下幾步：

如上圖，製備一個糾纏粒子對（粒子1和粒子2）。將粒子1發射到A點，粒子2發送至B點。

在A點，另一個粒子3攜帶著一個我們想要傳輸的量子比特Q。於是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態。在A點同時測量粒子1和粒子3，得到一個測量結果。這個測量會使粒子1和粒子2的糾纏態解除掉，但同時粒子1和粒子3卻糾纏到了一起。

在A點的發送者利用經典信道（就是經典通信方式，如電話或簡訊等）把自己的測量結果告訴B點的接收者。

B點的接收者收到A點的測量結果後，就知道了B點的粒子2處於哪個態。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。這就相當於，粒子3攜帶的量子比特無損地從A點傳輸到了B點，而粒子3本身依然留在A點，並沒有跑到B點去。

以上就是通過量子糾纏實現量子隱形傳態的方法，可以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。這也是利用糾纏的量子通信目前最主要的方式。需要注意的是，由於步驟是經典信息傳輸而且不可忽略，因此它限制了整個量子隱形傳態的速度，使得量子隱形傳態的信息傳輸速度無法超過光速。

因為量子計算需要直接處理量子比特，於是「量子隱形傳態」這種直接的量子比特傳輸將成為未來量子計算之間的量子通信方式，未來量子隱形傳態和量子計算機終端可以構成純粹的量子信息傳輸和處理系統，即量子互聯網。這也將是未來量子信息時代最顯著的標誌。

量子科學實驗衛星

今日凌晨，我國成功發射了世界上第一顆「量子科學實驗衛星」-- 墨子號，用於探索量子通信衛星的可行性。這顆衛星由中國科學技術大學和中國科學院上海技術物理研究所共同研製。這個項目於2012年正式立項，歷時數年研製成功。

這顆量子科學實驗衛星將配合多個衛星地面站實施星地量子保密通信實驗，同時也要進行地星量子隱形傳態等實驗。其中還將嘗試從北京到維也納的洲際量子密鑰分發。

基於衛星等航天器的空間量子通信，有著地面光纖量子通信網路無法比擬的優勢。第一個原因是在同樣距離下，光子在光纖中的損耗遠高於自由空間的損耗。因為光子在自由空間的損耗主要來自光斑的發散，大氣對光子的吸收和散射遠小於光纖。第二個原因是受到地麵條件的限制，很多地方無法鋪設量子通信的專用光纖。想建設覆蓋全球的量子通信網路，必需依賴多顆量子通信衛星。

這顆量子科學實驗衛星將開創人類量子通信衛星的先河，在實現一系列量子通信科學實驗目標的同時，嘗試與地面光纖量子通信網路連接，為未來覆蓋全球的天地一體化量子通信網路建立技術基礎。

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