量子技术什么时候才能“飞入寻常百姓家”？

　　要让每个人都用上，乐观的话需要10到15年。

　　到时候，个人的网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号，“棱镜门”那样的泄密事件也不会发生了。

　　A05版

　　“量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。”

　　2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空啦！

　　本文标题上面这段描述这颗卫星使命的文字，生动地为我们解释了什么叫做“每一个字都认识，连在一起却看不懂”。

　　没办法，毕竟，在量子世界中，一切都实在是太玄妙了，玄妙到连爱因斯坦这样的天才头脑，都无法彻底参透其中的奥妙—一个东西可以同时处在多个位置，一只猫可以处在“死”和“活”的叠加状态上；物体的“波粒二象性”使其既是粒子也是波；两个处于“纠缠态”的粒子，即使相距遥远也具有“心电感应”，一个发生变化，另一个会瞬时发生相应改变……

　　不过，看完这篇稿子，相信您对这段话描述的意思，能够产生一个大概的了解。

　　什么是“量子”？

　　量子是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者，不可再分割。

　　比如，光子是光能量的最小单元，不存在“半个光子”，同理，也不存在“半个氢原子”“半个水分子”等等。

　　量子世界中有两个基本原理：量子叠加—就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。

　　量子纠缠—类似孙悟空和他的分身，二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态，不论分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应改变。

　　为啥叫“墨子”？

　　墨子是东周春秋末期、战国初期的著名哲学家。

　　他留给我们的，除了各种民间传说外，还有不少关于物理学的研究。

　　特别值得注意的是，在力学、光学、声学等分支，他给出了不少物理学概念的定义，并有不少重大的发现，总结出了一些重要的物理学定理。一种观点认为，在光学史上，墨子是我国第一个进行光学实验，并对几何光学进行系统研究的科学家。
　　
　　因为光线经过物体再穿过小孔时，由于光的直线传播，物体上方成像于下，物体下部成像于上，故所成的像为倒像。这样的解释，和我们今天所了解到的几乎没什么区别。

　　用这样一位先驱级的人物来命名第一颗量子科学实验卫星，实在是再合适不过了。

　　任务一

　　“其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。”

　　所谓“密钥”，我们可以理解成加密的方法。例如掌握了莫尔斯电码的密钥，我们就能把“滴-滴-滴-嗒-嗒-嗒-滴-滴-滴”转化成“SOS”。

　　这次实验，量子秘钥分发将会在中国科学院和奥地利科学院之间进行。按照计划，中国科学院将生成一个0到1的随机秘钥序列，并选择一个对应的极化方式，生成一个单光子序列，然后利用“墨子号”将这个序列发送给奥地利。而奥地利科学院在接受到信息后，再对这一单光子序列进行测量。

　　传统的通信，为什么会被窃取呢？传统光通信是通过光的强弱变化传输信息。从中分出一丁点光，并不影响其他光继续传输信息。这样就能不被发现的情况下，窃取信息。

　　量子通信则完全不同！窃听者如果想拦截量子信号，就要对其进行测量，而这将破坏携带密钥信息的量子态。根据量子“测不准定理”（微观世界中测量某东西的行为将会不可避免地扰乱那个事物：你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度），这种破坏必然会被发现。

　　是否可以不破坏传输的量子态，只截取并复制，再继续发送？这已被“量子不可克隆定理”完全排除，于是也就保证了量子通信的绝对安全。

　　探测器灵敏度相当于在地球看月球上点燃的火柴

　　在量子通信中，最大的难点在于如何实现天地一体化的量子联通。这就好比在万米高空，往地面的一个存钱罐里扔硬币，需要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口。

　　如果说从高空向地面存钱罐扔硬币已经让人感到咋舌，那接下来的技术则更加让人目眩。

　　量子卫星采用的是单光子探测器，其目的是实现对每一个光子的捕捉。那么，这是一个什么概念呢？

　　“一个60瓦的灯泡，每秒钟发射的光子数大约是10×10的二十次方个，而一根火柴的最大光亮大约是3~5瓦。”量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇说，量子卫星探测器灵敏度相当于在月球上点根火柴，我们在地球上用望远镜来看它的亮光。

　　如果考虑到火柴点燃后，光向四面八方的扩散效应，其观测难度可想而知。

　　“探测器的灵敏度必须达到这种程度，才能捕获来自太空中的一颗颗光子。否则的话，天上的量子卫星就没有存在的意义了。”王建宇说。

　　任务二

　　“在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。”

　　我们常能听到这样的传说：一对双胞胎，虽然相距千里，却同时结婚、同时生病。而在量子力学中，也有一种奇特的现象，那就是“量子纠缠态”。

　　一对具有量子纠缠态的粒子，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变—就好像双胞胎中的一个举起左手，千里之外的另一个也作出相应动作。这种现象称为“量子非定域性”，曾经被爱因斯坦等用来质疑量子力学理论的完备性，并引发了长期的争论和持续至今的各种检验。

　　科学家们在地面上已在相距100公里的距离成功地验证了量子非定域性，而量子卫星将把这个实验带到外层空间，将在国际上首次得以实现千公里量级的量子非定域性实验检验。

　　未来我们也许能够实现“大变活人”

　　“量子态隐形传输”是基于量子叠加和量子纠缠的特性，就是把甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。

　　现在，在光子、原子等层面已经实现了量子态隐形传输。电影里“大变活人”在原理上是允许的，但目前还远远做不到。因为科幻电影里人的传送，不仅需要把人的实体部分的大量原子、分子传送，并且严格按照原来的相对位置重新排列起来，更何况重现意识和记忆就更复杂了。不过，随着科学的发展和技术的进步，也许未来我们还是可以实现人的量子隐形传态，到那时，星际旅行就不是梦啦。

　　未来量子技术如何影响生活？

　　量子通信目前已经实现在金融、政务系统等中的使用。

　　要让每个人都用上，乐观的话需要10到15年。这需要对网络基础设施进行改造，还涉及到标准制定。

　　到时候，个人的网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号，“棱镜门”那样的泄密事件也不会发生了。

　　而量子计算目前仍然处于基础研究的阶段，前进道路上还面临着巨大的挑战，不知道在二三十年的时间内能否实现初步应用。

　　而这一技术一旦取得进展，其意义将是极其重大的。

例如，包括量子计算机芯片在内的各种量子电路，其功能和信息处理能力将远远超过我们目前正在使用的经典芯片，并且更加节能；再如可望制备出达到量子极限的能量收集和转换器件，将引发能源变革；也有望大幅提升对时间、位置、重力等物理量超高精度的测量，不仅实现超高精度的潜艇定位、医学检测等，也将加深对物理学基本原理的认识。

　　下一步进行哪些工作？

　　量子卫星的发射，让我国在这一领域成为了“领跑者”—而由此带来的聚合效应已经显现—美国发布了新的量子科研计划，欧盟、日本也在量子通信领域加紧研究。

　　这一地位是如何争来的？下一步，我国还将进行哪些工作？

　　2001年
　　31岁的潘建伟从欧洲回国，在中科大组建了量子信息实验室。

　　2003年
　　当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时，潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想，“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。

　　2005年
　　潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。

　　2016年
　　2016年8月16日1时40分，我国成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。
　　要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。

　　2030年
　　到2030年左右，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。

　　新文化报 http://news.hexun.com/2016-08-17/185545810.html