揭开世界第一颗量子卫星:无条件安全通信成为可能

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制图:蔡华为

随着中国成功发射世界上第一颗量子科学实验卫星——墨子，人类将首次完成卫星与地面之间的量子通信，从而构建一个完整的量子保密通信和科学实验系统。

什么是量子和量子通信

量子是物理世界中最小的、不可分割的基本个体。可以说，整个世界是由量子构成的。量子理论，被称为物理世界的百岁幽灵，甚至许多科学家都被它的神秘现象所迷惑，这对于普通人来说自然是更高级的。但是如果你试图接近它，你会发现这个幽灵的魅力。

首先，量子的奇迹在于它奇妙的特性、量子叠加原理和量子纠缠。

什么是量子叠加原理？也就是说，一个量子有几个可能的状态的叠加，只有当它被观察或测量时，它才会随机地呈现一个特定的状态。因此，物质的测量意味着干扰，这将改变被测物质的状态。这就像孙武的分离空。中国科学院院士、量子卫星首席科学家潘剑伟解释说，一个孙吴空同时出现在许多地方，每个孙吴空的成员就像他的叠加态。在日常生活中，我不能同时出现在两个地方，但在量子世界中，作为一个微观物体，它同时出现在许多地方。

所谓的量子纠缠意味着两个纠缠的量子就像有心灵感应的双胞胎。不管两个人之间的距离有多远，当哥哥的状态改变时，弟弟的状态也会改变。如果这两个光量子纠缠在一起，即使在数千公里或更远的距离，人们相信在遥远的点之间仍然会有奇怪的相互作用。潘剑伟补充说，无论两个纠缠粒子相距多远，它们都能感觉到彼此的状态，爱因斯坦称之为幽灵般的距离动作。科学家可以利用这种效应，首先将一个粒子的未知量子态恢复到另一个粒子的未知量子态。

随着科学家对这两个特性的不断认识，适合实际应用的新技术也逐渐发展起来，量子通信就是其中之一。

过去，基于微电子技术的计算机技术在传输信息时容易被窃听。然而，通过将量子物理与信息技术相结合，利用量子控制技术，信息可以以革命性的方式被编码、存储、传输和操纵，从而突破了经典信息技术在保证信息安全、提高计算速度和提高测量精度方面的瓶颈——量子通信。

一般认为，量子通信分为两种类型，一种是量子安全通信(量子密钥分配)；另一个是量子隐形传态。

量子保密通信，就像一个人想把秘密传给另一个人一样，需要把秘密盒和钥匙传给接收者。接收者只有用这把钥匙打开盒子才能得到这个秘密。没有这把钥匙，其他人不能打开盒子，一旦这把钥匙被其他人碰过，发送者会立即发现原来的钥匙是无效的，并给出一把新钥匙，直到确保接收者自己得到它。

那么，为什么当被别人触摸时，钥匙能被立即知道呢？

因为科学家利用了上述量子有多个叠加态的原理，并把量子作为关键。这样，一旦有人试图截取或测试量子密钥，它就会改变量子状态，科学家可以立即发现有人从改变中触摸到了密钥。因此，通过利用量子不可混淆和不可分的性质，可以实现无条件安全的通信。

量子通信中的另一种量子隐形传态也利用量子的两个特性，通过隐形传态实现信息传输。也就是说，一个粒子的未知量子态被精确地传输到一个遥远的地方，而不用传输粒子本身。

来源：央视线