〇吾悅

“墨子號”衛(wèi)星與高冷量子學

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2016年8月16日1時40分，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心一顆科學試驗衛(wèi)星成功升空。這顆衛(wèi)星不僅有著高大上的名字——“墨子號”，還有著高冷背景——它肩負的是探索星地量子通信的使命。它的升空引發(fā)了普通大眾對最前沿科學領域——量子學的關注。這期就讓我們一起跟隨高大上的“墨子號”走進量子世界。

我們都知道分子、原子是構成物質世界的基本粒子?？墒沁@只是我們對宏觀世界的淺顯認識。隨著科學研究的不斷推進，科學家們發(fā)現量子是構成物質的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小單元，不存在“半個光子”，同理，也不存在“半個氧原子”“半個水分子”等等。

量子是現代物理的重要概念，主要表現在微觀物理世界。量子不但可用于表述物質構成，還能用于能量、角動量、自旋、電荷等其他物理量的研究。在量子世界中有兩個基本原理：量子疊加和量子糾纏。量子疊加就是指一個量子系統可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。著名的“薛定諤的貓”理論曾經形象地表述為“一只貓可以同時既是活的又是死的”。量子糾纏類似孫悟空和他的分身，二者無論距離多遠都“心有靈犀”。當兩個微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應改變。量子科技已經在方方面面影響著我們的日常生活，目前正在廣為使用的計算機、手機、互聯網、時間標準和導航，包括醫(yī)院里的磁共振成像等，無一不得益于量子科技。

量子技術與信息安全

現代社會已經進入網絡信息時代，然而隨之而來的是信息安全問題。這不僅牽涉國家機密，普通百姓也難逃影響。個人的網上銀行、手機支付、信用卡信息泄露事件時有發(fā)生，就連QQ號也經常被不法分子盜用等。面對信息安全危機，量子通信技術充當了救世主的角色，它為信息科學的進一步發(fā)展筑起了堅實的基礎。

量子通信指的就是量子密鑰分配技術。量子密鑰分配技術利用“單量子不可克隆定理”來實現密鑰配送的絕對安全?！安豢煽寺《ɡ怼笔侵噶孔恿W中對任意一個未知的量子態(tài)進行完全相同的復制的過程是不可實現的，因為復制的前提是測量，而測量一般會改變該量子的狀態(tài)。

傳統光通信是通過光的強弱變化傳輸信息。從中分出一丁點光并不影響其他光繼續(xù)傳輸信息，測量這一丁點光原理上就能竊取信息。量子通信則完全不同！竊聽者如果想攔截量子信號，并對其進行測量，將不可避免地破壞攜帶密鑰信息的量子態(tài)。這種破壞必然會被信息發(fā)送者和接收者所發(fā)現。根據“不可克隆定理”，同樣不可以不破壞傳輸的量子態(tài)，只截取并復制，再繼續(xù)發(fā)送，于是就保證了量子通信的絕對安全。

量子與瞬間移動

在《星際迷航》等科幻大片里，瞬間移動是必備神技之一。哆啦a夢的任意門也是很多人向往的?！傲孔討B(tài)隱形傳輸”能否實現瞬間移動神技和任意門嗎？

“量子態(tài)隱形傳輸”是基于量子疊加和量子糾纏的特性，就是甲地某一粒子的未知量子態(tài)，可以在乙地的另一粒子上還原出來。其實傳輸的是粒子的量子態(tài)，而不是粒子本身。這種狀態(tài)傳送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬間移動”。

現在，在光子、原子等層面已經實現了量子態(tài)隱形傳輸。電影里“大變活人”在原理上是允許的，但目前還遠遠做不到。因為科幻電影里人的傳送，不僅需要把人的實體部分的大量原子、分子傳送，并且嚴格按照原來的相對位置重新排列起來，更何況重現意識和記憶就更復雜了。不過，隨著科學的發(fā)展和技術的進步，也許未來我們還是可以實現人的量子隱形傳態(tài)，到那時星際旅行就不是夢啦。

量子計算機與量子大腦

將來機器會不會像《變形金剛》里一樣被裝上量子大腦，從而取代人類？

所謂量子大腦，其實就是當今正在研制中的量子計算機。未來的量子計算機可能會對人工智能起到極大的幫助，在數據搜索、分析和處理方面提供遠遠超過目前經典計算機的運算能力。

機器人都是預先設置好程序的，而人是有意識和自由意志的。研究發(fā)現，人腦中的思維機制與量子疊加、量子糾纏或許存在相似之處。所以也有學者認為，未來可望創(chuàng)造出與人腦一樣運行的人工智能機器人。真到這種程度，機器與生物之間的界限已經非常模糊。這目前還只是一種暢想，未來究竟怎樣還得拭目以待。

“墨子號”量子衛(wèi)星

“墨子號”是中科院空間科學先導專項中首批確定立項研制的4顆科學實驗衛(wèi)星之一，它的成功發(fā)射和在軌運行，不僅將助力于我國廣域量子通信網絡的構建，服務于國家信息安全，還將開展對量子力學基本問題的空間尺度實驗檢驗，加深人類對量子力學自身的理解。

“墨子號”重約640千克，設計壽命為兩年，運行在高度約500千米的極地軌道。目前正在進行衛(wèi)星平臺的測試工作，后續(xù)將開展有效載荷的自測試、地面站配合的載荷測試、天地一體化鏈路測試等工作。所有測試完成后，將在首席科學家的領導下，由科學應用系統組織完成星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網絡、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項科學實驗任務，實現專項預定的科學目標。