「墨子」升天：人類探尋星地通信的新征途

科技 08-16

「墨子」升天：人類探尋星地通信的新征途

作者張文卓(中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心、中國科學技術大學上海研究院副研究員)

編輯張鵬卿

2016年8月16日凌晨1時40分，中國在酒泉衛星發射中心發射了世界第一顆「量子科學實驗衛星」。衛星由長征二號丁運載火箭送入太空，飛行了約十一分半後與火箭分離，順利進入了太陽同步軌道。這是人類歷史上第一顆嘗試運用量子信息技術來實現「天地交流」的衛星，如果成功，標誌著人類通信技術邁入全新的時代。該衛星由中國科學技術大學和中科院上海技術物理研究所共同研製，經過前期準備，於2012年正式立項，取名為「墨子號」。

該量子科學實驗衛星將配合多個地面站實施星地量子保密通信實驗，星地雙向量子糾纏分發實驗，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。

據悉，本次任務還搭載發射了中科院研製的稀薄大氣科學實驗衛星和西班牙科學實驗小衛星。量子衛星發射入軌後將進行3個月左右的在軌測試，然後轉入在軌運行階段。

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。原因之一是在同樣距離下，光子在光纖中的損耗遠高於自由空間的損耗。這是由於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。原因之二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。因此，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。

從以上分析我們看出，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鏈接，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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那麼，量子科學實驗衛星的背後，到底隱藏了什麼物理原理？

量子信息是以量子物理學為基礎的新一代信息科學技術。主要包含兩個方面，一個是信息的傳輸，即量子通信。另一個是信息的處理，即量子計算。

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刻地推動著人類文明的發展。一條路是「自上而下」的，即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」等等就是來自這個領域。另一條路是「自下而上」的，也就是認識身邊的各種物質背後的量子力學原理，並在此基礎上發展各種高新技術來改變世界，如我們經常聽到的「凝聚態物理」、「半導體」、「激光」、「超導體」、「納米材料」等等。這條路曾經通過半導體技術催生了第一次信息革命，使我們今天能夠便捷地使用計算機、智能手機和互聯網。但是這次信息革命是屬於「經典信息」的革命雖然我們必須用量子力學才能理解半導體和激光的本質與工作原理，但我們所處理的還是經典的二進位信息（即0和1，叫做經典比特），而這屬於經典物理學的範疇。

隨著我們對量子力學原理的認識步入到了一個全新的階段，第二次信息革命即將誕生。其中以「量子信息」革命為代表。信息傳輸和計算都將直接基於量子比特，也就誕生了量子通信和量子計算。量子通信作為排頭兵，走在了這次信息革命的最前面，成為它的第一個突破點。

量子通信按照應用場景和所傳輸的比特類型可分為「量子密碼」和「量子態傳輸」兩個方向。其中「量子密碼」使用量子態不可克隆的特性來產生二進位密碼，為經典比特建立牢不可破的量子保密通信。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；「量子態隱形傳態」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通信。

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表1 量子密碼和量子隱形傳態的區別

名詞解釋：量子不可克隆定理

複製（即克隆）一個粒子的狀態前，首先都要測量這個狀態。但是量子態不同於經典狀態，它非常脆弱，任何測量都會改變數子態本身（即令量子態坍縮），因此量子態無法被任意克隆。這就是量子不可克隆定理，已經經過了數學上嚴格的證明。

竊聽者在竊聽經典信息的時候，等於複製了這份經典信息，使信息的原本接收者和竊聽者各獲得一份。但是在量子態傳輸時，因為無法克隆任意量子態，於是在竊聽者竊聽攔截量子通訊的時候，就會銷毀他所截獲到的這個量子態。

在量子密碼里（如BB84協議），正是由於量子不可克隆定理，光子被截獲時經過了測量，偏振狀態就發生了改變。接收方就會察覺密碼的錯誤，停止密碼通信。這也就確保了通信時量子密碼的安全性，也就保證了加密信息的安全性。

在傳輸量子比特時，由於量子不可克隆定理，銷毀量子態就是銷毀了它所攜帶的量子比特，於是無論是接收者還是竊聽者都無法再獲得這個信息。通訊雙方會輕易察覺信息的丟失，因此量子比特本身的具有絕對的保密性。量子不可克隆定理使得我們直接傳輸量子比特的時候，不用再建立量子密碼。而是直接依靠量子比特本身的安全性就可以做到信息不被竊取。

在接下來的篇幅中，我們將依次介紹「量子密碼」、「量子糾纏態」和「量子隱形傳態」的基本原理。

1 量子密碼

目前實用化的量子密碼是基於查理斯?本內特（Charles Bennett）和吉勒?布拉薩（Gilles Brassard）在1984年提出的BB84協議。該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」。該協議利用光子的偏振態來傳輸信息。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度的測量方式，即「+」，或45度的測量方式，即「×」，來測量光子。在90度的測量方式中，偏振方向「」代表0，偏振方向「」代表1；在45度的測量方式中，偏振方向「」代表0，偏振方向「」代表1。

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這樣選擇測量方式的好處是，如果選擇「+」來測量偏振態「」或「」，測量結果有50%的幾率為「」，50%的幾率為「」。同理，如果選擇「×」來測量「」或「」，測量結果有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受者。比如傳輸一個比特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隨機選擇「+」或者「×」來測量，測量結果記錄為一組0和1的列表。當接收者獲得全部測量結果後，他將通過經典信道（如電話，簡訊，QQ等）與發送者聯繫，互相分享各自採用過的測量方式。這時，他們只保留相同的測量方式（「+」或者「×」）的數據，捨棄不同的測量方式的數據。保留下來的測量方式所對應的二進位比特，就是他們最終生成的密碼，見表2。

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表2 BB84通訊協議

通過表2我們可以看出，只有當發送方和接收方所選擇的測量方式相同的時候，傳輸比特才能被保留下來用作密碼。如果存在信息截獲者，他也同樣要隨機地選取「+」或者「×」來測量發送者發送的比特。例如發送者選取的測量方式為「+」，然後選擇發送「」來代表1，那麼如果截獲者選取的測量方式也為「+」，他的截獲就不會被察覺。但是因為獲者是隨機選取測量方式，他也有50%的概率選擇「×」。這樣，量子力學的測量概率特性使光子的偏振就有50%的概率變為「」，有50%的概率變為「」。

在上面的這種情況下，作為接收方如果選取了和發送方同樣的測量方式「+」，則會把發送者發送的密碼比特當做最終生成的量子密碼。但是這裡由於接收方測量的是經過截獲的光子，即光子的偏振已經因為量子測量坍縮成了50%的概率「」和50%的概率「」，接收方測量的最終結果便會變為50%的概率「」和50%的概率「」。於是，當接收方測量這個光子偏振的時候，其測量結果與發送方不同的概率為50%×50%=25%。

因此，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是100%。從這裡我們可以看出，基於BB84協議的量子通信可以有效地發現竊聽，然後通訊雙方關閉通信，或重新分配密碼，直到沒人竊聽為止。

BB84量子密碼分配協議使得通訊雙方可以生成一串絕對保密的量子密碼，用該密碼給任何二進位信息加密（比如做最簡單的二進位「異或」操作，見表3）都會使加密後的二進位信息無法被解密，因此從根本上保證了傳輸信息過程的安全性。在這個協議基礎上，世界各國都開展了用量子密碼加密過的二進位信息進行信息傳輸的網路建設，即量子保密通信網。中國在這方面走在了世界最前面。

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表3 利用量子密碼給需要傳輸的原始信息做「異或」加密

中國科學技術大學潘建偉團隊在合肥市實現了國際上首個所有節點都互通的量子保密通信網路，後又利用該成果為60周年國慶閱兵關鍵節點之間構建了「量子通信熱線」，之後研發的新型量子通信裝備在北京投入常態運行，為「十八大」等國家重要政治活動提供信息安全保障。發源於中國科學技術大學的科大國盾量子通信技術有限公司利用所轉化的成果建成了覆蓋合肥城區的世界上首個規模化量子保密通信網路，標誌著大容量的城域量子通信網路技術開始成熟。

2013年國家批准立項量子保密通信「京滬幹線」由中國科學技術大學承建，將於2016年年底前建成。該幹線連接北京上海，全長2000餘公里，是世界首條量子保密通信主幹網，將大幅提高我國軍事，政務，銀行和金融系統的安全性。

名詞解釋：量子比特??

傳統的信息技術紮根於經典物理學，一個比特在特定時刻只有特定的狀態，要麼0，要麼1，所有的計算都按照經典的物理學規律進行。量子信息紮根於量子物理學，一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態。相比於一個經典比特只有0和1兩個值，一個量子比特的值有無限個。直觀來看就是把0和1當成兩個向量，一個量子比特可以是0和1這兩個向量的所有可能的組合。

表示量子比特的Bloch球，球面代表了一個量子比特所有可能的取值。來源Wikipedia

但是需要指出的是，一個量子比特只含有零個經典比特的信息。因為一個經典比特是0或1，即兩個向量。而一個量子比特只是一個向量（0和1的向量合成），就好比一個經典比特只能取0，或者只能取1，信息量是零個比特。

2 量子糾纏態

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「量子隱形傳態」。理解量子隱形傳態，首先要理解量子糾纏。

量子力學中最神秘的就是疊加態，而「量子糾纏」正是多粒子的一種疊加態。以雙粒子為例，一個粒子A可以處於某個物理量的疊加態，同時另一個粒子B也可以處於某個物理量的疊加態（這兩個疊加態可以分別用量子比特來表示）。當這兩個粒子發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，即糾纏態。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。

用薛定諤的貓做比喻，就是A和B兩隻貓如果形成上面的糾纏態：

無論這兩隻貓相距多遠，即便在宇宙的兩端，當A貓是「死」的時候，B貓必然是「活」；當A貓是「活」的時候，B貓一定是「死」（當然真實的情況是貓這種宏觀物體不可能把量子糾纏維持這麼長時間，幾億億億億分之一秒內就會解除糾纏。但是基本粒子是可以的，比如光子）。

這種跨越空間的瞬間影響雙方的量子糾纏曾經被愛因斯坦稱為「鬼魅的超距作用」(spooky action at a distance)，並以此來質疑量子力學的完備性，因為這個超距作用違反了他提出的「定域性」原理，即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速。這就是著名的「EPR佯謬」。

後來物理學家玻姆在愛因斯坦的定域性原理基礎上，提出了「隱變數理論」來解釋這種超距相互作用。不久物理學家貝爾提出了一個不等式，可以用來判定量子力學和隱變數理論誰正確。如果實驗結果符合貝爾不等式，則隱變數理論勝出。如果實驗結果違反了貝爾不等式，則量子力學勝出。

表4 貝爾不等式的意義

但是後來一次次實驗結果都違反了貝爾不等式，即都證實了量子力學是完備的，量子糾纏是非定域的，而隱變數理論是不正確的，愛因斯坦的定域性原理必須被捨棄。2015年荷蘭物理學家做的最新的無漏洞貝爾不等式測量實驗，基本宣告了定域性原理的死刑。

一些新的理論研究指出，微觀上的量子糾纏與宏觀的熱力學第二定律，即熵增定律有著密不可分的關係。微觀系統產生的糾纏具有不可逆性，會導致信息的增加（例如一個量子比特所含的信息是零個比特，但是兩個量子比特糾纏在一起，就會產生兩個比特的冗餘信息）。根據香農提出的資訊理論，系統熵正比於冗餘的信息（即無用的信息），因此宏觀系統熵的增加的根源很可能就來自微觀的量子糾纏。

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。

3 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。

由於量子糾纏是非局域的，即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？因此，基於量子糾纏態的量子通訊便應運而生。這種利用量子糾纏態的量子通信就是「量子隱形傳態」（quantum teleportation）。

雖然借用了科幻小說中隱形傳態（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：

（1）如下圖，製備一個糾纏粒子對。將粒子1發射到A點，粒子2發送至B點。

（2）在A點，另一個粒子3攜帶一個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的糾纏態坍縮掉，但同時粒子1和和粒子3卻糾纏到了一起。

（3）A點的一方利用經典信道（就是經典通訊方式，如電話或簡訊等）把自己的測量結果告訴B點一方。

（4）B點的一方收到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。也就是粒子3攜帶的量子比特無損地從A點傳輸到了B點，而粒子3本身只留在A點，並沒有到B點。

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