墨子發射後整個世界炸鍋了！不知道量子通信的快看

軍情 08-16

8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用「長征二號丁」運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」發射升空。這將使我國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

這幾天，都在談量子通信，要知道，量子通信衛星這可是美國和俄羅斯都處於設想階段的東東，如今讓中國人搶得了先機。那麼什麼是量子衛星呢？為什麼說外國無法破解中國量子密鑰技術！?

軍事專家谷火平介紹，量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，其安全性和高效性都遠在傳統通信技術之上。如果將量子通信應用到軍事領域，那麼絕對不會發生「泄密」的問題，這是因為量子加密的密鑰是隨機的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息，所以說量子通訊技術被認為是人類科技發展史上又一個革命性技術。同時，量子通信既沒有電磁輻射，也沒有強光輻射，敵方難以截獲和破壞我方密碼。

為什麼說外國無法破解中國量子密鑰技術！?

科普中國帶來權威解釋：

量子密鑰分配利用「單量子不可克隆定理」來實現密鑰配送的絕對安全。「不可克隆定理」（No-Cloning Theorem）是「海森堡測不準原理」的推論，它是指量子力學中對任意一個未知的量子態進行完全相同的複製的過程是不可實現的，因為複製的前提是測量，而測量一般會改變該量子的狀態。

圖1為量子密鑰分配的原理示意圖，圖1左圖中的小黃球代表單個光子，黑色箭頭代表光子的偏振方向，左邊藍色人是信息發送方，而綠色人是接收方。收發雙方都手持偏振濾色片，發送方有四種不同的濾色片，分別為上下、左右偏振（第一組）、上左下右、上右下左偏振（第3組）4種濾色片，發送方把不同的濾色片遮於光子源前，就可分別得到4種不同偏振的光子，分別用來代表「0」和「1」。請注意，每個代碼對應於兩種不同的光子偏振狀態，它們出自兩組不同偏振濾色片（圖1中的左下角，它和通常光通信的編碼不盡相同）。接收方就只有兩種偏振濾色片，上下左右開縫的「+」字式和斜交開縫的「×」字式。由於接收方無法預知到達的每個光子的偏振狀態，他只能隨機挑選兩種偏振濾色片的一種。接收方如果使用了「+」字濾色片，上下或左右偏振的光子可以保持原量子狀態順利通過（見圖中上面的第一選擇，接收方用了正確的濾色片），而上左下右、上右下左偏振的光子在通過時量子狀態改變，變成上下或左右偏振且狀態不確定（見圖1中第四選擇，用了錯誤的濾色片）。接送方如果使用×字濾色片情況正好相反，見圖1中第2選擇（錯誤）和第3選擇（正確）。

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圖1 量子密鑰分配技術原理示意

圖1右圖第1橫排是發送方使用的不同偏振濾色片，從左至右將9個不同偏振狀態的光子隨時間先後逐個發送給下面綠色接收方，這些光子列於第2排。接收方隨機使用「+」字或「×」字偏振濾色片將送來的光子逐一過濾，見第3排，接收到的9個光子的狀態顯示在第4排。

這裡是密鑰（key）產生的關鍵步驟：接收方通過公開信道（電子郵件或電話）把自己使用的偏振濾色片的序列告知發送方，發送方把接收方濾色片的序列與自己使用的序列逐一對照，然後告知接收方哪幾次用了正確的濾色片（圖2，打勾的1，4，5，7，9）。對應於這些用了正確濾色片後接收到的光子狀態的代碼是：00110，接發雙方對此都心知肚明、毫無疑義，這組代碼就是它們兩人共享的密鑰。

為什麼第三者不可能截獲這個密鑰？假設竊密者在公開信道上得知了接送方使用的偏振濾色片序列，也知道了發送方的確認信息（圖2，打勾的1，4，5，7，9），但是竊密者依舊無法確認密鑰序列。譬如對第一列，竊密者知道接收方用的是「十」字濾色片，而且發送方確認是對的，但這可能對應於上下或左右偏振的兩種不同的光子，它們分別代表「1」或「0」，除了發送和接收雙方都清楚知道，竊密者是無法確認的。竊密者真要確認的話，也要在中途插入偏振濾色片來觀察，但它又無法事先知道應該使用「十」還是「×」濾色片，一旦使用錯誤濾色片，光子狀態改變，竊密的行為立即暴露。再以第一列光子為例，如果竊密者在接收端前插入「×」濾色片，光子偏振狀態可能改變成上右下左的斜偏振，接收方仍使用「十」濾色片，得到左右偏振光子，經確認後此位變成「1」。結果通信雙方的密鑰在第一位不一致，這種出錯經過奇偶校驗核對非常容易發現和糾正。通常的做法是通信雙方交換很長的光子序列，得到確認的密鑰後分段使用奇偶校驗核對，出錯段被認為是技術誤差或已被中間竊聽，則整段予以刪除，留下的序列就是絕對可靠的共享密鑰。有必要指出本文僅作基本原理的介紹，工程實現中的細節不再贅述。量子密鑰分配方法除了BB84協議外還有E91協議。

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圖2 量子密鑰分配技術工程示意

量子密鑰分配技術中的密鑰的每一位是依靠單個光子傳送的，單個光子的量子行為使得竊密者企圖截獲並複製光子的狀態而不被察覺成為不可能。而普通光通信中每個脈衝包含千千萬萬個光子，其中單個光子的量子行為被群體的統計行為所淹沒，竊密者在海量光子流中截取一小部光子根本無法被通信兩端用戶所察覺，因而傳送的密鑰是不安全的，用不安全密鑰加密後的數據資料一定也是不安全的。量子密鑰分配技術的關鍵是產生、傳送和檢測具有多種偏振態的單個光子流，特種的偏振濾色片，單光子感應器和超低溫環境使得這種技術成為可能。

量子密鑰分配光纖網路上傳送的是單個光子序列，所以數據傳輸速度遠遠低於普通光纖通信網路，它不能用來傳送大量的數據文件和圖片，它是專門用來傳送對稱密碼體制中的密鑰，當通信雙方交換並確認共享了絕對安全的密鑰後，再用此密鑰對大量數據加密後在不安全的高速網路上傳送。

「量子通信」這個詞容易使人誤解，到目前為止，實際上量子通信指的就是量子密鑰分配技術。量子密鑰分配光纖雖然是低速網路，但每秒種傳送上千位的密鑰沒有任何問題，通信雙方有確保安全的幾百位長的密鑰，而且分分秒秒可以隨時更換密鑰，通信安全就有了非常可靠的保障。量子密鑰分配技術的基礎是物理而不是數學。面對信息安全危機，量子密鑰分配技術充當了救世主的角色，它為信息科學的進一步發展築起了堅實的基礎。

來源：科普中國

現實增強技術（AR）解釋量子衛星。視頻時長3分23秒

中國在量子通信方面另一個突破就是大尺度光纖量子通信骨幹網將於2016年下半年建成，這是一個高可信、可擴展的廣域光纖量子通信網路，建成後將廣泛用於金融、政務等領域信息的安全傳輸。除了在量子通信科研方面取得了突破性進展，中國科研團隊還在量子計算與模擬、量子精密測量方面展開攻關。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，比如求解一個億億億變數的方程組利用億億次的「天河」二號需要100年，利用萬億次的量子計算機則只需0.01秒，這將為解決密碼分析、氣象預報、藥物設計等大規模計算難題提供全新的方案，美國再想破解中國信息秘密，可以說真是「臣妾做不到啊」。

國際著名科學家評中國首顆量子科學實驗衛星

中國將發射人類首顆量子通訊試驗衛星，意味著中國將先於歐美擁有量子通信覆蓋全球的能力，大家可想而知其背後的軍事和戰略意義有多重大。隨著中國基礎科學技術的全面進步，我們在一些重要領域已經擁有了不遜於美國和俄羅斯的驕人成績。所以對於未來，我們充滿了期待！

國際同行對全球首顆量子科學實驗衛星發表評論：

義大利帕多瓦大學光學和激光納米技術教授Paolo Villoresi（圖片來源：Microsoft Academic Search）

對於量子信息研究來說，地面上的量子通信應用進展迅速，但自由空間量子通信還很落後，所以衛星在太空中實現量子通信實驗是一個巨大的進步。

中國的量子空間衛星將為全球量子通信系統提供一個試驗台。事實上，此次太空中有一些開放的實驗項目我們是很感興趣的。

我想，空間量子通信最初可能有點像早期的人造衛星,比較笨拙——被稱為「無用的大塊鐵」，但一段時間後,就會變得像彩虹般有趣，提供很多有用的服務和信息。

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我們正在與QUESS（Quantum Experiments at Space Scale，空間尺度的量子實驗）的團隊進行合作，我們負責搭建歐洲的地面站。合作進行得很順利。在我看來，中國和奧地利之間實現洲際量子密鑰分發將是最有趣的。未來，全球範圍的量子互聯網必然包括地面網路連接和空間網路連接，而QUESS將首次提供洲際網路鏈接。

這是首次實現全球尺度下的量子通信，是邁向未來量子互聯網的重要一步。另外，它將提供迄今為止最大尺度的量子糾纏驗證，未來如果運行順利，它也一定會為相對論的驗證提供重要信息。

中國在基礎量子實驗及其應用領域都做得非常出色。在下一次量子革命中，中國無疑是一個主要參與者。

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在太空上遠距離地對量子力學的預測進行檢驗，我認為這將是非常有趣的一項試驗。我特別感興趣的是（即便在這顆衛星上無法實現），讓人類觀測員進行「貝爾－EPR」的測試[1]；假設他們的報告能夠得出明確的結果，那麼這就會為客觀的定域性理論等此類問題的「棺材」上釘上最後一根釘子。

如果此次量子科學實驗衛星上的實驗能夠獲得成功，那麼它肯定會為最終的「量子互聯網」打下堅實的基礎。但量子互聯網是否將成為未來全球通信的潮流？我認為，量子互聯網是否會建立起來，這取決於國際社會是否認為這種系統的收益是否大於成本。

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中國科學技術大學物理學教授潘建偉

「如果能弄明白為什麼會有量子糾纏，我立即死都願意。」

20多年前，潘建偉因對量子力學著迷而選擇了從事量子光學、量子信息和量子力學基礎問題檢驗的研究。

「墨子」的升空，在科學上將進一步檢驗量子力學基本原理。

在人類科學史上，可能沒有一個學科像量子力學這樣，幾乎動用了近代所有物理學家的智慧，其本質仍在幽暗中閃爍，令人困惑。

「如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。」

說這話的人不是別人，是量子物理學大師級人物——尼爾斯·玻爾（Niels Henrik David Bohr）。

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尼爾斯·玻爾。來源：Wiki

在量子的世界裡，盒子里的一隻貓可以既死又活，直至我們打開盒子看看它；相距遙遠的一對粒子可以存在「心靈感應」，一個粒子的狀態隨另一個瞬時變化。前者，我們叫它「量子疊加」，而後者，則是「量子糾纏」。

量子態疊加是指粒子可以同時處於不止一種狀態的相干疊加。例如，同一時刻，電子自旋方向可以既是順時針又是逆時針，或者原子同時處於激發態和基態[2]。而量子糾纏是指，兩個微觀世界的粒子可以具有某種狀態上的關聯，無論它們距離多遠，只要其中一個被測量到處於某種狀態，另一個也會在同時塌縮到某種狀態。

量子世界裡這兩種帶有神秘色彩的性質讓無數物理學家為之著迷。在探尋其本質的道路上，世界上最頂尖的大腦共同推動著量子物理革命的發生，經典物理的大廈轟然倒塌。人類花了百年的時間，試圖探究量子世界的圖景。

來源：微信公眾號知識分子

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墨子號上去幹啥？任務之一：研究量子糾纏

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。這或許是未來的通信黑科技，為保不被時代拋棄，你最好現在就學習一下什麼叫量子糾纏——

以雙粒子為例，一個粒子A可以處於某個物理量的疊加態，能夠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。當兩個粒子發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，也就是糾纏態。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。

如果用薛定諤的貓做比喻，即A和B兩隻貓如果形成上面的糾纏態：

那麼無論兩隻貓相距多遠，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」。

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