中國量子衛星一步千里，量子糾纏通信前途無量

《自然》的封面，「一步千里」的墨子號衛星量子糾纏實驗

6月15日的美國《科學》雜誌刊發了中國量子實驗衛星的新成果：中國「墨子號」量子衛星實現了千公里級量子糾纏，為量子通信技術的實用化奠定了基礎，這是一項兼具實用性和基礎科研的重大技術成就，為此《科學》特意把「墨子號」衛星的實驗作為封面以示重視。

據報道，「墨子號」量子實驗衛星產生糾纏態光子後，糾纏態光子對中的一個光子發向青海德令哈站，另一個發給雲南麗江站，兩個地面站直線距離1203公里，這是世界上首次實現千公里級的量子糾纏，是「墨子號」衛星上天以來取得的最大的科學成果，也為未來的量子保密通信實用化奠定了基礎。

圍觀群眾肯定要要問，這量子糾纏是怎麼回事，量子保密通信有什麼好處呢，還是讓我從頭說起吧。

愛因斯坦等人為了反對量子力學提出EPR佯謬，意外發現了量子糾纏的怪異

第一，量子糾纏的詭異：EPR佯謬

量子糾纏是一種十分奇特的量子力學現象，它極為違背我們的常識，連偉大的愛因斯坦也不免俗。愛因斯坦是量子力學的奠基者之一，不過隨著量子力學的發展，老愛也落伍了，老愛十分反感對海森堡發現的不確定原理，1935年他聯合學生波多爾斯基、羅森提出了著名的EPR佯謬，提出量子糾纏現象捅了量子力學一刀。

愛因斯坦提出，要是不確定性這種理論正確的話，就會出現奇怪的量子糾纏現象。用我們日常生活的例子：一雙手套分別放到兩個黑盒子里，打開一個盒子發現是左手套，那麼另一個盒子里肯定是右手套。量子糾纏的奇特和反常在於，它說兩個盒子里的手套都是不確定的，打開哪個盒子都有一半可能是左手套，同時另外一個盒子肯定是右手套。愛因斯坦表示匪夷所思，按照我們的日常經驗，難道不應該是放手套的時候，哪個盒子是左手套就已經確定了么？！

愛因斯坦隨後利用歸謬法提出，如果盒子里的手套不確定，同時相隔再遠這兩個盒子的手套都左右對應，那麼問題來了，兩個盒子中的這對手套是怎麼超光速協調的呢？要知道超光速是不可能的，量子力學都發展成歪門邪道了啊。要我老愛說，肯定是這倆盒子中的手套早就定了，只不過怎麼放進去的我們不知道。薛定諤受愛因斯坦的EPR佯謬啟發，提出了著名的「薛定諤貓」思想實驗，同樣對量子力學提出了質疑。

第二，量子糾纏的檢驗：貝爾不等式

愛因斯坦這當頭一棒，還真把量子力學的鼓吹者玻爾打蒙了。玻爾幾個月後他發表了回應文章，爭辯說您的思想實驗錯了，測量動作會對微觀粒子造成影響，總而言之量子力學沒錯，量子糾纏是存在的。頂尖物理學家公說公有理婆說婆有理，圍觀群眾很凌亂，你們到底誰說的對啊，這奇特的量子糾纏現象到底存不存在，誰給個准信啊。

John Bell提出貝爾不等式支持愛因斯坦，卻給老愛的理論墳上添了最後一鍬土

物理學畢竟是建立在實驗基礎上的科學，理論上決不出勝負，大家就做實驗吧。站在愛因斯坦一方的物理學家貝爾，1964年提出了一個叫貝爾不等式的測試方法，可以實驗證明愛因斯坦和玻爾誰的說法對。隨著技術的進步，1972年弗里德曼和克勞瑟完成了首次貝爾不等式驗證實驗，1982年法國科學家阿萊恩·阿斯佩實驗小組完成了更完善的實驗實驗，2015年荷蘭科學家羅納德·漢森完成了無漏洞的貝爾不等式實驗。多次實驗結果都表明：量子糾纏這種幽靈一樣違反直覺的東西居然是真的，支持愛因斯坦的貝爾，提出的實驗方法反而打倒了愛因斯坦的理論。

愛因斯坦的解釋雖然和我們日常經驗相符，但卻是錯的，這種對經驗和權威的否定在物理學的發展史上屢見不鮮。先賢亞里士多德從經驗出發提出力是維持物體運動的原因，而牛頓糾正指出力是改變物體運動狀態的原因，現在牛頓的觀點早已不覺新鮮，相信未來的人類對量子糾纏也不會再大驚小怪的。

墨子號實驗衛星進行了1203公里的量子糾纏實驗，創下了實驗距離的記錄

愛因斯坦的擁護者始終有人不服：阿斯派克特的實驗距離才12米，誰知道是不是其他因素影響的？好吧，那我們就做距離更遠的實驗，現在量子糾纏實驗的最新記錄，就是「墨子號」衛星剛完成的1203公里距離實驗。

第三，量子糾纏的用途：保密通信

量子糾纏現象違背我們日常的經驗和直覺，但它卻十分有用。按照量子力學理論，量子糾纏中的隨機現象是真正的隨機，偽隨機我們可以找規律破解，面對真隨機什麼超級計算機和高級演算法都無能為力。科學家們很快想到了用量子糾纏的真隨機性加強保密安全性，這種基於量子糾纏的保密通信手段，是信息安全的終極武器。有了它，百密一疏成為歷史，信息傳遞可以做到真正的萬無一失。

前途是光明的，但道路是曲折的。要讓量子保密通信實用化，必須把糾纏態的光子分發出去，可是地面上無論是走光纖傳輸還是在大氣中直接傳播，光子都會迅速的衰減，科學家們絞盡腦汁，也就能傳播到一百公里級別，這樣的量子通信哪能實用呢。怎麼辦？科學家們仰望星空，發射「墨子號」量子科學實驗衛星。通過衛星進行糾纏態光子的發送，只需要穿過薄薄的大氣層，光子的衰減很小，就說「墨子號」這次量子糾纏實驗吧，糾纏態光子的分發距離達到1203公里，比以前的最高紀錄一下就提高了約10倍。即使要實現更遠的分發距離，限制因素也並非衛星上的設備，而是需要建立距離更遠的地面站。

藉助衛星的幫助，中國人已經證明遠距離量子通信在技術上是可行的，量子保密通信不再遙不可及。目前各大銀行、國家電網、軍隊和政府機構都在競相應用量子通信技術。假以時日，量子保密通信技術應用到個人終端，我們的銀行卡信用卡和網上支付的安全也可以得到更好的保證。

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