「墨子號」量子科學試驗衛星發射意味著什麼？

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引自朋友圈一位朋友的一句話，這兩天，若有不討論王寶強的群請置頂。談姐深以為然，因為，我們還要看「詩和遠方」，比如「墨子號」量子科學實驗衛星發射。

8月16日凌晨1：40，中國成功將世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」發射升空。

一、

先談談，這次中國發射量子科學實驗衛星的目的是什麼？

1、衛星和地面（在很多科普類的文章里，你會看到「星地」，其實就是）之間量子密鑰分發試驗；

2、與地面光纖量子通信網路，中國將初步建成廣域量子通信體系；

3、地面站之間的量子糾纏分發試驗；

4、地星之間量子隱形傳態科學試驗。

（這裡面有一條非常非常重要的信息，後文提及、暫且按下不表。）

這次中國量子衛星發射，其科研上的探索會集中在量子通信上。上海大學數學系的密碼專家曹正軍撰文中提到，「量子通訊主要是指利用量子態作為傳輸介質來協商臨時密鑰--經典的比特串，該臨時密鑰可以作為對稱密碼系統（如AES）的加密密鑰。傳統密碼學假設敵手獲得了所有的通訊信號，在此假設下研究如何阻止敵手獲得蘊藏在信號中的信息，它的研究目標是信息安全」。

業界對此次量子衛星發射非常樂觀，認為這個項目會帶動大批科學家科研項目向量子靠攏，進而帶動中國各大科研機構和高校對量子相關科學的重視；很多人說，掌握了量子技術，很可能使中國實現在科技上的彎道超車。

但也有人認為，業界過於樂觀，量子通信可能並不那麼美好。

二、

量子通信和量子計算是量子力學應用的兩大方向。

我國的重點是在量子通信上。「墨子號」成功發射，這有著重大的意義，最終形成星地通信網形成之後，我們可以在國內任意地方進行量子通信。

信息加密是計算機信息科學領域最關心的問題之一。2015年度的圖靈獎就被授予了兩位從事公鑰加密技術的科學家。

而進行量子通信的意義在於通信過程中，使用了比公鑰加密技術更安全的量子密鑰進行加密。

除了中科院在國內主導量子通信研究外，美國、日本和歐洲航天局也在進行相關研究工作。美國一年大概有兩億美元的預算用於量子力學研究。

在60周年國慶節上，量子通信已經派上用場，城域量子通信網也已經在合肥建成。

這是否意味著，未來人類的通信工具也將發生變化，真的還需要手機這玩意兒嗎？

而美國等歐洲國家的重點是在量子計算上。

這又是一個什麼樣的概念？眾所周知，傳統計算機採用的是0與1的二進位，量子計算則用一個個量子態代替了傳統計算機的二進位計算位，稱之為「量子位」(qubit)。量子態除了以正向和反向自旋代表0與1外，還存在兩者之間的多種狀態，稱之為「疊加態」，這使得同時計算能力比傳統計算機有極大的提升。但是一直以來最大的問題在於，量子計算機的核心，即用於運算的量子態本身極易受到擾動，使得計算過程和結果報廢。

所以量子計算的關鍵之處就在於，找到一種方法，使得量子系統不受外界因素的擾亂。

早在2007年時，英國一家公司D-Wave就宣布，他們已經製造出世界上第一台商用量子計算機，這條消息曾經上過頭條新聞，但遭到當時很多人的懷疑——該計算機究竟是如何基於量子特性工作的？

D-Wave的研究表明，一種稱之為「量子退火」的技術，能夠用以找到8個超導量子位的基態，使之不被分子熱運動或者噪音擾亂。

三、

量子力學讓人著迷的不僅是在能夠改變人類的通信和計算方式，一個叫量子糾纏更是讓科學家為之投入。

因為「量子糾纏態是違背了所有世界存在、能量、物質基礎的現象」（來自於科學家劉若鵬的解讀），這意味著現有的認知或許要重寫。

原諒我，腦洞開不到那麼大，那會是怎樣的一個世界？看《逆世界》、《星際穿越》等影片時，也是死掉了不少腦細胞。

波佩斯庫、肖特及其同事諾厄·林登（Noah Linden）和安德烈亞斯·溫特（Andreas Winter）曾在2009年的《物理學評論E》上發表過一篇文章，提出只要和環境發生量子糾纏，物體就可以經過無限長的時間達到熱力學平衡，或者說達到能量均勻分布的狀態。

用一個生活中的場景來表達，「我們終於能夠理解為何一杯熱茶會慢慢冷卻到室溫了，」布里斯託大學的物理學家托尼·肖特（Tony Short）說道，「那是因為熱茶的狀態和室溫狀態之間建立起了糾纏。」

（在一杯熱咖啡與周圍空氣熱平衡的過程中，咖啡分子（白色）和空氣分子（棕色）發生相互作用，變成一種棕白混合的糾纏混合態。一段時間之後，大多數咖啡粒子都與空氣分子產生了關聯，這表明咖啡最終進入了熱力學平衡狀態。）

你理解了嗎？

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