超乎想像的科學：來自量子世界的洪荒之力
近日，我國成功發射了世界上首枚量子通信衛星「墨子號」，並且伴隨著地面「京滬幹線」的建設完成，將首次實現「天地一體化」的量子通信網路的構建，真正奠定了中國在量子通信領域「老大哥」的地位。
「墨子號」的升空絕對稱得上是量子通信領域的大事件，有一種拿了金牌的民族自豪感。
但是，作為一個自豪的中國人，你真的明白自己在驕傲些什麼嗎？
量子通信這個神秘感十足的辭彙到底包含多少你不懂的「冷知識」？在享受著中國科研揚眉吐氣般喜悅的同時，我們也深深地感受到來自量子世界的「洪荒之力」，這必定是一個超乎想像的奇妙世界，也是一個很多人不了解的神秘世界。
那就讓量子通信領域的大咖——中國科學院院士、中國科技大學常務副校長潘建偉，帶我們走進神奇的量子世界。
圖1中國科學院院士、中國科技大學常務副校長潘建偉
「量子」為何物
量子是構成物質的最基本單元，能量的最基本攜帶者，不可分割。以我們最熟悉的「光量子」為例，作為光能量的最小單元，不存在「半個光子」。光的能量都是以光量子的能量為單位逐份變化的，並且這種變化不是連續的。在量子物理學的理論體系中，大多數物理量的值都是不連續、離散式地變化的。
這樣的觀點在提出之初是難以為人所接受的，因為它與經典物理學中物理量都是連續變化的觀點是截然不同的。然而，大量的實驗事實讓科學家們逐漸接受了這一新的理論，並且歸納總結出諸如「量子疊加態原理」、「概率性測量原理」等，建立了現在的量子物理科學。
圖2 量子理論之父普朗克
給你一個「絕對」安全的理由
從摩斯電碼到電報、傳真，從行動電話到網路通信，通信技術的發展在為人類提供便利的同時也帶來了通信安全的隱患。但是量子通信技術的出現，就能夠完美地解決信息傳輸過程中的安全問題，真正做到「絕對」安全。那麼實現絕對安全的理由是什麼呢？潘建偉做出了如下的解答。
量子通信作為絕對安全的信息傳送方式，主要體現在光量子的不可分割性上。由於光量子的不可分割性，所以在單光子發射的情況下，竊聽者無法採用將光子分成兩半，一半用於獲得密鑰，一半傳輸給接收方的方式避免被發現。同時，光量子還具有無法克隆性，因為光子是無法準確測量的，所以更無法被竊聽者複製，即無法通過準確測量光子，克隆出一個一模一樣的光子從而獲取信息。換句話說，在量子通信傳輸信息的過程中，一旦信息被竊取，就一定會被發現。
另外，隨著計算機運算性能的不斷提高，以及量子計算機的研製與發展，經典傳統的公鑰演算法(RSA)受到衝擊。相較於只能依靠密碼長度和複雜性保證安全性的RSA演算法而言，量子通信可以真正做到「一次一密」，從而真正實現密碼無法被破譯。這也是量子通信技術能夠實現「絕對安全」的重要理由。
圖3 量子通信概念圖
神奇的力量——量子糾纏
量子糾纏現象是量子科學領域最古怪但也是最神奇的性質之一，因為它能夠產生「幽靈般的超距離互動」。毫不誇張地講，也許未來人類能夠利用量子糾纏這一特殊性質真正實現「瞬間移動」。那這種性質究竟有怎樣的奇妙之處呢？
想要理解量子糾纏有多麼的詭異，我們通過電子的自旋這一典型的例子來解釋。電子的自旋與實際物體的旋轉有著巨大的不同，其旋轉的狀態總是不確定的，直到觀測的某個瞬間才能夠確定。而量子糾纏理論認為，假設有兩個相互糾纏的電子對，即使它們一個在地球一個在月球，二者之間沒有任何傳輸線相連。如果你在某個時刻觀測到其中一個的自旋狀態，那麼另一個電子在同一時刻的自旋狀態也會相應的發生變化。也就是說，如果你對其中一個粒子進行觀測，那麼你不止是影響了它，你的觀測也同時影響了它所糾纏的夥伴，而且這與兩個粒子間的距離無關。
二者之間存在的這種奇妙的互動就是量子糾纏，也曾被愛因斯坦稱作「幽靈般的超距離互動」。所以，在量子糾纏的幫助下，我們可以將另一個粒子的未知量子態傳送到遙遠地點，而不用傳送這個粒子本身。利用這種詭異的互動，人類也許可以在未來實現科幻電影中的「瞬間移動」。
圖4 量子糾纏現象
量子科學的世界充滿了經典物理學無法解釋的神奇現象，但是科學家們正在通過不懈的努力一一驗證這些聽起來荒謬的理論。
作為量子力學的重要應用，近年來量子通信的飛速發展大大增加了人們對於量子科學的信心；作為量子通信領域的技術強國，中國正在用實力證明，人類渴望的絕對安全通信的夢想即將成為現實。
出品：科普中國
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