量子通信到底是真实是假（量子通信是伪科学吗）

卫星量子通信卫星难懂？其实就像异地恋一样.

2000多年前，墨子在《经说下》中写道“一个光明的人发出耀眼的光芒。”这句话，并体会到“光沿直线传播”的现象。

2000多年后的2016年8月16日，以墨子名字命名的量子科学实验卫星墨子号发射升空，它将用“光”续写人类信息传输的未来。

2016年8月16日，中国发射了世界上之一颗量子通信卫星“墨子号”。图片来源新华社

如今，设定使用寿命只有2年的墨子号已经在轨运行6年，超额完成了多项拓展的科研任务。

很多人看到“量子”这个词可能会疑惑。什么是量子？墨子量子科学实验卫星做了哪些工作？跟“量子”有什么关系？别急，我们来一个一个了解他们的秘密。

重点一

什么是量子？

在我们的生活中，可能经常会听到“量子力学”这个词，也经常会看到打着“量子”旗号的“量子速读”之类的伪科学。那么“量子”具体是什么？

这个问题其实不难理解。我们生活中的一切都有自己最小的单位。比如“水”最基本的单位是“水分子”。光也是如此。我们用激光笔射出一束光，将这束光细分，最基本的单位是“光子”。我们把构成物质世界的最基本单元，就叫做“量子”。's“墨子”实验用的“量子”是“光量子”，即“光子”。

重点二

“墨子号”都进行了哪些实验？

在回答这个问题之前，先说说大家比较热衷的“ ”。

在手机还没有开发出指纹扫描和刷脸验证之前，我们在网上下单总是需要在屏幕上输入支付密码。可能大多数人都考虑过一件事我的密码被拦截了怎么办？的确，不仅仅是我们的支付密码，从A地传输到B地的所有通信信息都有可能在中途被拦截和破解，导致我们的信息泄露。

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此刻可能有人会想，那我们做一个密码本，先把我们发来的支付密码等信息加密，然后收到的时候用同一个密码本解密，这样信息加密就完成了？是真的，很可惜密码可能会被破译甚至直接窃取，这样加密就没有效果了。

没有完全安全的加密 吗？别急，别忘了我们今天白癜风网小编的主角3354“墨子”。

诞生“墨子”是保障通信安全.的一项重要使命。传统的密码本不够安全？没关系。我们用量子技术生成一个“密码本”。这个“密码本”一旦被足够随机,和第三方截获，将会被被通信双方知晓.

作为量子科学的实验卫星，墨子号有三个重要的实验要完成千公里级量子密钥,分发,千公里级星地双向量子纠缠分发和千公里级地星量子隐形传态.在完成这三个既定的科学目标后，墨子号还进行了多项重大的拓展实验，不断取得新的突破。

看到这些“量子”又会眼前一黑？不要紧张，它们其实不难理解。我通过墨子这三个既定的科学实验来告诉你。

重点三

量子密钥分发是在做什么？

它有什么用？

正如我们刚才所说，为了保证真正的通信安全，我们需要利用量子技术来 “密码本”。墨子号的量子密钥分发任务是利用墨子号卫星将发送一个个光子，来生成“密码本”从太空传送到地面。

那么这些光子是如何形成“码本”的呢？要理解这个问题，我们必须先了解一些关于光子的知识

偏振:光子可以在某个方向振动，这被称为“偏振”。光子的偏振根据角度不同可以分为很多种，但这里我们只需要知道四个方向和(即0和90的偏振角)、和(即45和135的偏振角)；

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图片来自墨子沙龙。

光子偏振的几种形式，每个光子的偏振夹角为 180°，所以漫画中 135° 光子偏振虽然为“↖”，但其实和“↘”是等价的。

观测在接收光子时，会利用一副“特制墨镜”对这些光子进行观测。这副墨镜正着摆放的时候，形态像“+”一样，可以允许 ↑ 和 → 偏振的光子通过；倾斜摆放的时候，形态就像“×”，可以允许 ↗ 和 ↘ 偏振的光子通过；比特科学家规定，用“+”观测后，获得 ↑ 偏振的光子则代表比特“0”，获得 → 偏振的光子则代表比特“1”；同样，用“×”观测后，获得 ↗ 偏振的光子则代表比特“0”，获得 ↘ 偏振的光子则代表比特“1”；不确定性，光子比较特殊。即便是 ↑ 和 → 偏振的光子，也可以通过倾斜摆放的“×”墨镜（↗ 和 ↘ 也同样可以通过“+”）。比如，硬挤进 “×” 的 ↑ 偏振的光子 ，出来后就会变成 ↗ 或 ↘，但具体是哪个？别问，概率都是 50%，具体不清楚。

如果你还是晕晕的，那下面这个表格会让你更清晰一些

了解了这些规则后，我们就可以开始着手发送光子、进而 “密码本”这件事了，步骤如下

，发送者会随机生成一串比特密码，比如是01001011；随机选择一种观测形式（“+”或“×”）；根据随机产生的比特以及观测形式，来制备一个偏振光子，例如当随机产生的比特是 0，观测方式是“+”时，就制备出 ↑ 偏振的光子；当随机产生的比特是 1，观测方式是“×”时，就制备出 ↘ 偏振的光子；然后将光子发送给接收者；接收者接收到这些光子后，再随机选择一个观测形式“+”或“×”对接收到的光子进行观测，获得观测结果。，发送者和接受者再打个 沟通一下他们各自的观测方式，将相同观测方式时的结果保留下来，其他的舍弃，就可以获得一个完全随机产生的、安全的初始“密码本”了。

这是一项充满了“随机”的工作。

我们也看到了，接收者如果使用了“+”对“↗”进行观测，便会获得两种结果，即对光子进行观测后，会使光子的偏振发生改变。这样，中途如果有第三者对光子进行截获，那么一旦使用了“错误”的观测方式，就会让光子的偏振产生改变。从而接收者和观察者通过“对答案”（这次是交流部分初始“密码本”）就能发现问题，舍弃这次生成的“密码本”。

如此一来，获得的“0100”这串密码，就是双方生成的一次性量子“密码本”。

以上，便是“墨子号”所进行的量子密钥分发这项实验所使用的 之一。这种 名为 BB84 协议，是 1984 年，查理斯·本内特（Charles Bennett）和吉勒·布 （Gilles Brassard）所提出的一种 。这种 可以有效发现通信中出现的窃听情况，从而立刻关闭通信，并重新进行新的量子密钥分发。

由布 德和本奈特提出的 BB84 协议。图片来自墨子沙龙。

2017 年 8 月，升空一年后的“墨子号”在国际上成功实现千公里级星地量子密钥分发实验。后来，“墨子号”还基于另一种量子密钥分发协议 E91 实现了无中继千公里级的量子保密通信。这为后续构建覆盖全球的量子保密通信 奠定了可靠的技术基础。

重点四

量子到底在“纠缠”什么？

量子纠缠分发又是在做什么？

提到“纠缠”你会想到什么？两个人之间的心心相印？情侣之间的心有灵犀？没错，在两个量子之间也存在 “心有灵犀”，科学家把量子之间的这种“心有灵犀”式的联系，称为“量子纠缠”。

两个存在量子纠缠的光子，图片来自墨子沙龙

在量子力学中有这样一个神秘的名词叠加态，即对于一个量子，在没有观测它的时候，它可能是两种状态的叠加；而一旦对叠加态的量子进行观测，量子叠加态就会坍缩成其中一个状态。引用一个经典例子就是薛定谔那只既“死”又“活”的猫，被关在密闭容器里的猫身上叠加着“死”和“活”两种状态，这便是猫的“叠加态”；而我们一旦打开盒子，猫的叠加态就会坍缩，我们就可以知道猫到底是“死”是“活”。

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而量子纠缠，是两个量子的组合的某种奇特的叠加态，它们之间“冥冥中自有定数”——一旦其中一个量子被观测，另一个量子的状态也会立刻被知晓。用猫咪举例便是我有两只被关在密闭盒子里的猫，它们都处在“生”或“死”的叠加态，而且它们是“纠缠”在一起的，即如果我打开一个盒子，看到了一只叠加态坍缩为“死”的猫，那么一个盒子里的猫的叠加态也会坍缩，而且一定坍缩为“生”。

这种量子纠缠是不受距离限制的，是“非定域性”的。即便是一只猫在地球上，另一只猫在宇宙的另一角，这种奇特的联系仍然会瞬时发生。爱因斯坦将这种跨越空间的量子纠缠现象称为“鬼魅的超距作用”，他对此感到忧心忡忡，转而提出“定域隐变量理论”来解释这种神奇的联系。

为了验证孰对孰错，物理学家贝尔提出了一个不等式和一个实验 ，如果实验结果符合不等式，那么就支持爱因斯坦的“定域性”理论；如果实验结果违背了不等式，则驳斥了爱因斯坦的“定域性”理论。

可惜，实验结果并没有站在爱因斯坦这边，量子力学中的这种“鬼魅的超距作用”是真实存在的，量子纠缠确实是“非定域性”的。实验是检验真理的唯一标准，真理来自于严密的实验结果，即便提出反对的是爱因斯坦。

实验结果表明，这次爱因斯坦错了。图片来自墨子沙龙

直至今日，许多科学家仍然在进行着贝尔提出的这个量子纠缠实验将两个纠缠态量子放在足够远的距离，随后进行观测，看看得出的观测结果是否符合贝尔不等式。同样，我国也在云南丽江和青海德令哈两个地面站之间进行了量子纠缠实验，并且是全世界最远——相距 1200 千米的量子纠缠实验。

“墨子号”的作用，就是在太空中向这两个地面站发射一对纠缠的量子。这个实验的成功，为将来我国基于量子纠缠的量子保密通信打下了基础。2020 年，墨子号实现了基于纠缠的千公里级量子保密通信。

通过“墨子号”卫星进行量子纠缠分发，来验证贝尔不等式。图片来自墨子沙龙。

重点五

量子隐形传态是什么？

可以实现远程物质传输吗？

在回答这个问题前，我们先来看一个异地恋小故事

有一对情侣 A 和 B，其中 B 比较恶毒，但双方依然进行着异地恋，相互“纠缠”。，他们有两个共同的朋友 C 和 D，分别在两地观察着 A 和 B。

有一天，A 遇到了 X，X 不像 B 那么恶毒，很友善，于是 A和 B 断绝“纠缠”，和 X 在一起，开始一种新的“纠缠”。

此时朋友 C 观察到了这一事件，拍了照片告诉了朋友 D，D 看了照片之后，对 B 进行了一些友谊上的教育，B 被教育后幡然醒悟，弃恶从善，从此也变成像 X 一样变成了一个善良的人。

在这个例子里，我们可以将 A 和 B 作为两个纠缠的量子，C 和 D 分别为 A 和 B 所在位置的科学家，而 X 则是未知量子态，科学家希望通过“量子隐形传态”的方式将这一未知量子态传送到B上。

整个传输过程中，量子 X 本身并没有被传送 ，而是 X 的状态被传送到了B上——正如异地恋例子里 X 善良的状态传给了 B，从而让 B 的状态也从“恶毒”变成了“友善”。

这便是“量子隐形传态”。不过要注意的是，在“量子隐形传态”时，A 和 B 的纠缠消失，和 A 和 X 产生新的纠缠，几乎是发生的。

你会发现，在“量子隐形传态”中，只是把量子 X 的状态进行了传输，而粒子本身并没有被传送。这和科幻作品中的物质远程传送有很大区别，想将物体通过量子技术从 A 地传送到 B 地，目前来看还不现实。

重点六

“墨子号”到底能为我们做什么？

如果你看到这里，那么恭喜你，你已经基本了解了“墨子号”量子科学实验卫星所承载的三项主要科学实验是什么了。不过这时你可能会问这三个实验，对我又会有什么影响呢？

每一个新理论的发现和新技术的实现，从根本上都代表着人类对未知世界迈出新的一步。“墨子号”是我国更先进的量子通信技术结晶，在国际上也是领先水平。量子通信技术已经开始出现在民用和商用领域，在未来，更加成熟的量子通信技术将会更广泛地应用在通信、金融、国防等诸多方面。

作者科普中国 × 墨子沙龙

本文由科普中国与墨子沙龙联合出品。

本文题图来自 Science。

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