去年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空，不到一年的時間，就完成了原定兩年完成的星地高速量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)實驗三大科學目標。
中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊，利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，在國際上首次成功實現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。
兩項成果于8月10日同時在線發(fā)表在國際權威學術期刊《自然》雜志上。
潘建偉介紹“墨子號”最新成果
實現(xiàn)星地高速量子密鑰分發(fā)
完成地星量子隱形傳態(tài)實驗
量子密鑰分發(fā)以及量子隱形傳態(tài)到底是什么，今天，蝌蚪君就來深入淺出的科普一下。
故~事~來~啦~
量子密鑰分發(fā)
其實，整個“墨子號”所做的事情，基本上還是為了老百姓未來生活服務的。
大家除了吃飯穿衣，每天少不了的，就是通信了，電話、郵件、微信……
大家都面臨著一個基本的問題：怎么來保證信息的隱私性？
蝌蚪君本來想用插畫的方式把故事娓娓道來，可惜力不從心，還是用文字來表述吧……
原諒手殘的蝌蚪君
這種經歷你肯定有過：男孩給女孩發(fā)短信，又不希望被女孩的媽媽看到（假設女孩的媽媽會檢查女孩的手機），那么，怎么才能做到呢？
“墨子號”的量子通訊技術上場了，它用“量子密鑰分發(fā)”技術保證了這條短信的安全性。
“墨子號”給男孩與女孩各發(fā)一組量子密鑰，男孩在發(fā)短信的時候，用量子密鑰把內容加密，女孩收到短信后，再用量子密鑰把短信內容解密出來。
就算女孩的媽媽就算拿到了手機，但因為沒有量子密鑰，她也無法看到短信的內容。
這就是量子密鑰分發(fā)的好處。
量子隱形傳態(tài)
那么，量子隱形傳態(tài)又是什么鬼呢？
這個東西不太好描述，再給大家講個故事，畫面請自行腦補。
一對男女，異地戀，兩個人之間建立了一種量子糾纏，男孩高興的時候，女孩也會高興（愛情的力量真?zhèn)ゴ螅?/p>
不過劇本設定：量子隱形傳態(tài)必須出現(xiàn)一個第三者。
所以，在男孩的身邊出現(xiàn)了另外一個單身女孩B（我們把單身狀態(tài)稱為一種量子態(tài)）。
由于他們會經常在一起溝通工作上的問題，日久生情，男孩就與女孩B建立了愛情關系。
男孩的異地女友失戀了，成了單身狀態(tài)（我們稱她為女孩A）。
在這個過程中，女孩B把自己的單身狀態(tài)傳遞給了女孩A，這個過程中兩人雖然沒有見過面，但完成了一次量子隱形傳態(tài)。
單身狀態(tài)其實是一種信息，未來可以通過量子隱形傳態(tài)來傳遞信息。
雖然這是一個老套的狗血故事，但是你卻懂了呀。
量子通信的技術難點
墨子號做的實驗都是用單光子做的。所謂單光子就是說從天上的衛(wèi)星到地面接受站之間的光路上每次都只發(fā)出一個光子，因為只有單光子的偏振態(tài)可以攜帶這些量子信息。
正因為是單光子，所以它在天地之間的跑的時候很容易丟失，也許被風吹丟了，也許被霧霾擋住了，也許遇見雷電被干擾了。
總之，目前的墨子號量子通信技術還處在科學實驗階段，整個單光子系統(tǒng)的脆弱性是一個主要的技術難點。
那么，既然單光子那么脆弱，為什么不把單光子信號放大呢？正如用三極管把電壓信號放大一樣。
在量子通信里，這個量子信號是不能放大的。(所以單光子的脆弱性可能會永遠存在)
要把單光子的量子態(tài)放大，相當于是要復制一個未知的量子狀態(tài)。
這背后有一個物理學定律告訴我們這是做不到的。
這個定律就是“量子不可克隆定理”。
量子不可克隆定理說的，一個未知的量子態(tài)是不能被復制的。
克隆是什么？
克隆就是復制，以前一般用到生物領域，比如克隆羊啊，克隆豬啊，都是沒爹沒娘的，都是從兄弟那里復制出來的。
70多年前，我們中國的生物學家童第周就搞過克隆蝌蚪的研究工作。
（我的克隆同胞呢？?。?/p>
1982年，克隆的思想進入到了物理學領域。不過，在物理界，情況與生物界不同——一個未知的量子態(tài)是不能被克隆的。
當年，物理學家威廉·沃特斯和沃伊切克·祖瑞克也是在英國《自然》雜志上發(fā)表了題為“單量子不能被克隆”的論文。他們在論文中用簡單的量子力學公式證明了一件大事：在量子的物理世界里，克隆是不行的。
正因為有了量子不可克隆定理，所以被用于量子通信的單光子信號不能被放大，所以整個通信系統(tǒng)容易受到外界環(huán)境的影響。
不過，量子通信的實驗，目前中國是全球第一，處于顛覆性創(chuàng)新，一旦技術成熟，必將改變老百姓的生活。
