量子通信首次衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)
我國(guó)的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星已于2016年8月16日凌晨發(fā)射升空露久，這是世界上第一顆開展量子通信實(shí)驗(yàn)和研究的衛(wèi)星撩荣。那么蚪燕，究竟什么是量子通信，它的原理是什么锦募，又具有什么樣的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)呢摆屯？
即將到來的量子信息革命
20世紀(jì)初古今，普朗克嚷兔、愛因斯坦、玻爾開創(chuàng)了量子物理學(xué)研究鉴裹。隨后赎线，海森堡廷没、薛定諤、狄拉克等物理學(xué)家建立了量子力學(xué)垂寥。從此颠黎，量子物理學(xué)沿著兩條路深入地推動(dòng)著人類文明的發(fā)展另锋。
一條路是“自上而下”的，也就是不斷深入微觀世界探索基本粒子盏缤。我們經(jīng)常聽到的“高能物理”（即粒子物理）“大統(tǒng)一理論”“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”等就是來自這個(gè)領(lǐng)域砰蠢。
另一條路是“自下而上”的，也就是認(rèn)識(shí)我們身邊的各種物質(zhì)和現(xiàn)象背后的量子力學(xué)規(guī)律唉铜，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出各種高新技術(shù)來改變世界台舱，例如凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體潭流、激光竞惋、超導(dǎo)體、納米材料等等方面的研究就屬于這個(gè)領(lǐng)域灰嫉，都離不開量子力學(xué)拆宛。
在后一條道路上，人們?cè)?jīng)通過半導(dǎo)體和激光技術(shù)催生了第一次信息革命讼撒，使我們今天能便捷地利用計(jì)算機(jī)浑厚、智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等各種信息技術(shù)。不過根盒，這次信息革命還是屬于“經(jīng)典信息”的革命钳幅，因?yàn)槲覀兯幚淼倪€是經(jīng)典的二進(jìn)制信息（即0和1，稱為“經(jīng)典比特”）炎滞，信息的傳輸和計(jì)算也都是基于經(jīng)典物理學(xué)敢艰。隨著量子信息科學(xué)技術(shù)的誕生，這條路逐漸發(fā)展到了一個(gè)全新的階段册赛，迎接著第二次信息革命的到來钠导，這就是屬于“量子信息”的革命。
量子信息技術(shù)是以量子物理學(xué)為基礎(chǔ)的新一代信息科學(xué)技術(shù)森瘪，它主要包含兩個(gè)方面牡属，一個(gè)方面是信息的傳輸，也就是量子通信扼睬；另一個(gè)方面是信息的處理湃望，也就是量子計(jì)算。在量子信息技術(shù)中痰驱，信息的傳輸和計(jì)算都將直接基于量子物理學(xué)证芭，處理的是“量子比特”。
其中担映，量子通信按照應(yīng)用場(chǎng)景和所傳輸?shù)谋忍仡愋陀挚梢苑譃椤傲孔用艽a”和“量子隱形傳態(tài)”兩個(gè)方向废士。其中“量子密碼”是利用量子態(tài)不可克隆的特性來產(chǎn)生二進(jìn)制密碼，為經(jīng)典比特建立不可破譯的量子保密通信蝇完。目前量子保密通信已經(jīng)步入產(chǎn)業(yè)化階段官硝，開始保護(hù)我們的信息安全矗蕊。“量子隱形傳態(tài)”則是利用量子糾纏來直接傳輸量子比特氢架，將應(yīng)用于未來量子計(jì)算機(jī)之間的直接通信傻咖。下面，我們就來看看到底什么是量子密碼和量子隱形傳態(tài)岖研。
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量子密碼
目前實(shí)用化的量子密碼是由查爾斯·本內(nèi)特（Charles Bennett）和吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）在1984年提出的“BB84協(xié)議”卿操，這個(gè)協(xié)議的名稱來自于這兩位提出者的姓的縮寫和協(xié)議發(fā)表的年份。這個(gè)協(xié)議把密碼以密鑰的形式分配給信息的收發(fā)雙方孙援，因此也稱作“量子密鑰分發(fā)”害淤。BB84協(xié)議是利用光子的偏振態(tài)來傳輸信息的。
因?yàn)楣庾佑袃蓚€(gè)偏振方向拓售，而且相互垂直窥摄，所以信息的發(fā)送者和接收者都可以簡(jiǎn)單地選取90°的測(cè)量模式，即“+”础淤，或45°的測(cè)量模式崭放，即“×”，來測(cè)量光子鸽凶。在90°的測(cè)量模式中币砂，光子偏振方向“↑”代表0，偏振方向“→”代表1吱瘩；在45°的測(cè)量模式中，偏振方向“”代表0迹缀，偏振方向“”代表1使碾。
這樣選擇測(cè)量方式的好處就是，如果選擇“+”來測(cè)量偏振態(tài)“”或“”時(shí)祝懂，會(huì)得到50%的幾率為“→”票摇，50%的幾率為“↑”。同理砚蓬，如果選擇“×”來測(cè)量“→”或“↑”時(shí)矢门，會(huì)得到50%的幾率為“”，50%的幾率為 “”灰蛙。
為了生成一組二進(jìn)制密碼祟剔，發(fā)送者首先隨機(jī)生成一組二進(jìn)制比特，我們稱之為“發(fā)送者的密碼比特”摩梧。同時(shí)發(fā)送者對(duì)每個(gè)“發(fā)送者的密碼比特”都隨機(jī)選取一個(gè)測(cè)量模式（“+”或者“×”）物延，然后把在這個(gè)測(cè)量模式下，每個(gè)“發(fā)送者的密碼比特”對(duì)應(yīng)的偏振狀態(tài)的光子發(fā)送給接收者仅父。比如要傳輸一個(gè)比特“0”叛薯，選擇的測(cè)量模式為“+”浑吟，則發(fā)送者需要發(fā)出一個(gè)偏振態(tài)為“↑”的光子。
接收者這邊也對(duì)接收到的每個(gè)比特（也就是一個(gè)個(gè)具有不同偏振態(tài)的光子）隨機(jī)選擇“+”或者“×”模式來測(cè)量耗溜，根據(jù)同樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系组力，就會(huì)得到一組由0和1組成的結(jié)果。當(dāng)接收者獲得全部測(cè)量結(jié)果后抖拴，他和發(fā)送者之間要通過經(jīng)典信道（如電話燎字、短信、郵件等等）建立聯(lián)系城舞，互相分享各自用過的測(cè)量模式轩触。這時(shí)，他們只保留相同的測(cè)量模式家夺，舍棄不同的測(cè)量模式脱柱。這些保留下來的測(cè)量模式所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制比特，就是他們最終生成的密碼（見下圖）拉馋。
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如何防止被竊聽榨为？
傳統(tǒng)信息傳輸過程中，信息截獲者可以截獲密碼或者通過截獲的密文來推算密碼煌茴。但是在BB84傳輸?shù)倪^程中随闺，信息截獲者不可以截獲和破譯密碼。截獲者只能隨機(jī)地選取“+”或者“×”來測(cè)量發(fā)送者發(fā)送的密碼比特蔓腐，例如發(fā)送者選取測(cè)量基矢“+”矩乐，然后發(fā)送“→”來代表1。如果截獲者選取的也為“+”回论，他的截獲就不會(huì)被察覺散罕。但因?yàn)榻孬@者是隨機(jī)選取測(cè)量模式，他也有50%的概率選擇“×”傀蓉，于是量子力學(xué)的測(cè)量概率特性使光子的偏振就變?yōu)榱?0%的概率為“”和50%的概率為“”欧漱。
在后一種（即截獲者選取×來進(jìn)行測(cè)量）情況下，作為接收方如果選取了和發(fā)送方同樣的基矢“+”葬燎，則會(huì)把這個(gè)比特當(dāng)做密碼误甚。但是這里接收方測(cè)量的是經(jīng)過截獲的光子，這個(gè)光子發(fā)出時(shí)的偏振為“→”窑邦，但因?yàn)榻孬@者的量子測(cè)量已經(jīng)坍縮成了50%概率的“”和50%概率的“”奕翔，那么派继，接收方用“+”測(cè)量得到的最終結(jié)果無(wú)論如何都會(huì)變?yōu)?0%的概率“↑”和50%的概率“→”驾窟。因此绅络，測(cè)量這個(gè)光子偏振的時(shí)候恩急，發(fā)送方和接收方結(jié)果不同的概率為50%×50%=25%衷恭。
所以，想知道是否存在截獲者灭袁，發(fā)送方和接收方只需要拿出一小部分密碼來對(duì)照茸歧。如果發(fā)現(xiàn)互相有25%的不同软瞎，那么就可以斷定信息被截獲了涤浇。同理芙代，如果信息未被截獲，那么二者密碼的相同率應(yīng)該是100%召边。因此隧熙，BB84協(xié)議可以有效地發(fā)現(xiàn)竊聽音念。如果發(fā)現(xiàn)有人竊聽闷愤，就可以關(guān)閉通信讥脐，或重新分配密碼旬渠，直到?jīng)]人竊聽為止告丢。
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量子比特傳輸
|| 什么是量子糾纏態(tài)芋齿？
如前面所述觅捆，我們可以用量子密碼給經(jīng)典二進(jìn)制信息加密栅炒。但是當(dāng)我們需要傳輸量子比特時(shí)赢赊，就無(wú)法再使用量子密碼了释移，而需要使用能直接傳輸量子比特的“量子隱形傳態(tài)”玩讳。為了理解量子隱形傳態(tài)熏纯，我們首先來了解一下什么是量子糾纏樟澜。
量子力學(xué)中最核心也最神秘的概念就是“疊加態(tài)”霹俺，而“量子糾纏”正是多個(gè)粒子的一種疊加態(tài)吭服。以雙粒子為例艇棕，一個(gè)粒子A可以處于某個(gè)物理量的疊加態(tài)，可用一個(gè)量子比特來表示打瘪，同時(shí)另一個(gè)粒子B也可以處于疊加態(tài)闺骚。當(dāng)這兩個(gè)粒子發(fā)生“糾纏”時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)雙粒子的疊加態(tài)胸梆，稱為糾纏態(tài)碰镜。例如有一種糾纏態(tài)就是無(wú)論兩個(gè)粒子相隔多遠(yuǎn)绪颖，只要沒有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時(shí)滓鸠，B粒子一定處于1態(tài)；反之悠抹，當(dāng)A粒子處于1態(tài)時(shí)楔敌，B粒子一定處于0態(tài)。
隨著量子信息學(xué)的誕生，量子糾纏已經(jīng)不僅僅是一個(gè)基礎(chǔ)研究黑忱，它已經(jīng)成為了量子信息科技的核心。例如抚吠，利用量子糾纏可以完成量子通信中的量子隱形傳態(tài)埃跷，可以完成一次性操作多個(gè)量子比特的量子計(jì)算讓更多的粒子糾纏起來是量子信息科技不斷追尋的目標(biāo)。
|| 量子隱形傳態(tài)
了解了量子糾纏剪勿，我們就可以理解量子隱形傳態(tài)了械念×浼酰科學(xué)家已經(jīng)證實(shí)量子糾纏是非局域的烁巫，也就是兩個(gè)糾纏的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，測(cè)量其中一個(gè)的狀態(tài)必然能同時(shí)獲得到另一個(gè)粒子的狀態(tài)诊霹，這個(gè)“信息”的獲取是不受光速限制的。于是物理學(xué)家自然想到，是否能把這種跨越空間的糾纏態(tài)用來進(jìn)行信息傳輸泥张？這樣彤恶，基于量子糾纏態(tài)的量子通信便應(yīng)運(yùn)而生芒炼，這就是“量子隱形傳態(tài)”（quantum teleportation）。
雖然借用了科幻小說中的“隱形傳態(tài)”（teleportation）這個(gè)詞，但量子隱形傳態(tài)實(shí)際上和科幻中的隱形傳態(tài)關(guān)系并不大。它是通過跨越空間的量子糾纏來實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特的傳輸烹看。
量子隱形傳態(tài)的過程（即傳輸協(xié)議）一般分如下幾步：
①如上圖虹菲，制備一個(gè)糾纏粒子對(duì)（粒子1和粒子2）霎褐。將粒子1發(fā)射到A點(diǎn)该镣，粒子2發(fā)送至B點(diǎn)冻璃。
②在A點(diǎn)，另一個(gè)粒子3攜帶著一個(gè)我們想要傳輸?shù)牧孔颖忍豎损合。于是A點(diǎn)的粒子1和B點(diǎn)的粒子2對(duì)與粒子3一起會(huì)形成一個(gè)總的態(tài)省艳。在A點(diǎn)同時(shí)測(cè)量粒子1和粒子3，得到一個(gè)測(cè)量結(jié)果嫁审。這個(gè)測(cè)量會(huì)使粒子1和粒子2的糾纏態(tài)解除掉跋炕，但同時(shí)粒子1和粒子3卻糾纏到了一起。
③在A點(diǎn)的發(fā)送者利用經(jīng)典信道（就是經(jīng)典通信方式律适，如電話或短信等）把自己的測(cè)量結(jié)果告訴B點(diǎn)的接收者辐烂。
④B點(diǎn)的接收者收到A點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果后，就知道了B點(diǎn)的粒子2處于哪個(gè)態(tài)捂贿。只要對(duì)粒子2稍做一個(gè)簡(jiǎn)單的操作纠修，它就會(huì)變成粒子3在測(cè)量前的狀態(tài)。這就相當(dāng)于厂僧，粒子3攜帶的量子比特?zé)o損地從A點(diǎn)傳輸?shù)搅薆點(diǎn)分瘾，而粒子3本身依然留在A點(diǎn)，并沒有跑到B點(diǎn)去吁系。
以上就是通過量子糾纏實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的方法德召，可以通過量子糾纏把一個(gè)量子比特?zé)o損地從一個(gè)地點(diǎn)傳到另一個(gè)地點(diǎn)。這也是利用糾纏的量子通信目前最主要的方式汽纤。需要注意的是上岗，由于步驟③是經(jīng)典信息傳輸而且不可忽略，因此它限制了整個(gè)量子隱形傳態(tài)的速度蕴坪，使得量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速度無(wú)法超過光速肴掷。
因?yàn)榱孔佑?jì)算需要直接處理量子比特敬锐，于是“量子隱形傳態(tài)”這種直接的量子比特傳輸將成為未來量子計(jì)算之間的量子通信方式，未來量子隱形傳態(tài)和量子計(jì)算機(jī)終端可以構(gòu)成純粹的量子信息傳輸和處理系統(tǒng)呆瞻，即量子互聯(lián)網(wǎng)台夺。這也將是未來量子信息時(shí)代最顯著的標(biāo)志。
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量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星
今日凌晨痴脾，我國(guó)成功發(fā)射了世界上第一顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”-- 墨子號(hào)颤介，用于探索量子通信衛(wèi)星的可行性。這顆衛(wèi)星由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所共同研制赞赖。這個(gè)項(xiàng)目于2012年正式立項(xiàng)滚朵，歷時(shí)數(shù)年研制成功。
這顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將配合多個(gè)衛(wèi)星地面站實(shí)施星地量子保密通信實(shí)驗(yàn)前域，同時(shí)也要進(jìn)行地星量子隱形傳態(tài)等實(shí)驗(yàn)辕近。其中還將嘗試從北京到維也納的洲際量子密鑰分發(fā)。
基于衛(wèi)星等航天器的空間量子通信匿垄，有著地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)移宅。第一個(gè)原因是在同樣距離下，光子在光纖中的損耗遠(yuǎn)高于自由空間的損耗椿疗。因?yàn)楣庾釉谧杂煽臻g的損耗主要來自光斑的發(fā)散吞杭，大氣對(duì)光子的吸收和散射遠(yuǎn)小于光纖。第二個(gè)原因是受到地面條件的限制变丧，很多地方無(wú)法鋪設(shè)量子通信的專用光纖芽狗。想建設(shè)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，必需依賴多顆量子通信衛(wèi)星痒蓬。
這顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將開創(chuàng)人類量子通信衛(wèi)星的先河童擎，在實(shí)現(xiàn)一系列量子通信科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的同時(shí)，嘗試與地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)連接攻晒，為未來覆蓋全球的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)建立技術(shù)基礎(chǔ)顾复。
