北京時間 8 月 16 日下午 1 時 40 分，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制的“墨子號”衛(wèi)星，在中國的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空并進入預(yù)定軌道。“墨子號”是一顆量子衛(wèi)星，也是世界上第一顆量子衛(wèi)星。
我們聽說過氣象衛(wèi)星、天文衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星，軍事用途衛(wèi)星甚至搭載武器的“殺手”衛(wèi)星——恐怕大多數(shù)人都沒聽說過“量子衛(wèi)星”是個什么玩意兒……
量子衛(wèi)星是什么?能做什么?怎么做?
墨子號應(yīng)該可以算作通訊衛(wèi)星當中的一種。只是，和傳統(tǒng)的通訊衛(wèi)星直接傳遞信息不同， 墨子號的工作不是傳遞信息本身，而是分配“密鑰”——解碼加密信息的“鑰匙”。
這把密鑰的加密性能，比歷史上人類使用過的所有密碼本、阿蘭·圖靈造計算機想要破譯的 Enigma 密碼、Touch-ID， “兩步驗證”甚至 PGP 系統(tǒng)還要高，可以說不在一個級別上。
以往的密碼/密鑰，要么是固定的，要么非固定但按照一定的邏輯變化，從而有跡可循，讓人們可以使用計算機技術(shù)或通過社會工程學(xué)來破譯。量子密碼的安全型提到了前所未有的新高度，幾乎無法破解。
它利用了量子科學(xué)無比浪漫的基本原理：
兩顆糾纏的光子被拆散之后，無論相距多遠總會心靈感應(yīng)，一個形態(tài)發(fā)生變化，另一個會像鏡子一樣同步變化。
光子組成了密鑰，墨子號就是向地面發(fā)射光子的衛(wèi)星——一顆量子密鑰分發(fā)衛(wèi)星。
墨子號隨長征-2D 運載火箭升空，衛(wèi)星將進入 500 千米太陽同步軌道。
舉個例子，打仗，A 地長官向 B 地前線部隊發(fā)送軍令。墨子號可以將許多組每組兩顆糾纏態(tài)光子拆開，發(fā)射給 A 和 B 兩地。當 A 地“觀測”這些光子，就像用手去觸摸了它們一樣，會讓這些光子發(fā)生形態(tài)變化。同時，發(fā)射到 B 地的光子也會產(chǎn)生一模一樣變化。把這些光子的形態(tài)，按照固定順序記錄下來，就變成了一組密鑰。A 地按照這個密鑰加密發(fā)送的信息，B 地手里已經(jīng)拿到了解碼的密鑰，能夠順利解密信息。
怎么保證信息不被第三方破譯呢?需要用到量子科學(xué)的兩條基本特性：“量子態(tài)不可克隆”原理，和“海格堡測不準”原理。
不可克隆：世界上就算有長相一模一樣的人，也絕對沒有第三顆一模一樣的光子。只有 A 和 B 知曉目標光子的狀態(tài)，世界上也沒有能夠完美克隆目標光子狀態(tài)的機器。不完美克隆是可以的——然而并沒有什么用，因為復(fù)原出來的密鑰早已千差萬別。
測不準：A 摸了光子，改變了光子的狀態(tài)并記錄下來。誰要是再摸，有很大可能狀態(tài)又變了。理論上，如果第三方想要截取密鑰，必須先截獲光子，再去觀測它，結(jié)果光子就變化了。結(jié)果 B 要么沒收到光子，要么收到光子摸完去跟 A 校驗，發(fā)現(xiàn)怎么不一樣啊，就明白了，咱們被人監(jiān)聽了。這其實沒關(guān)系，兩邊一對發(fā)現(xiàn)密鑰失守，這條軍令大不了咱們不發(fā)了，請墨子號給咱們再發(fā)一個新密鑰吧，確認沒問題再傳遞信息。
就算有人能一直截獲光子，充其量也是掌握了保險箱的鑰匙而已——箱子里可以什么東西都沒有嘛。
上面是對太空量子加密通訊的一個非常粗淺的解釋，在專業(yè)人士看來不一定完全準確，但應(yīng)該足夠讓你明白墨子號是干什么，怎么干的。
但這一切仍是個理論可行，還未在真實世界里驗證過的尖端設(shè)想。
墨子號的意義
陸地上的量子通訊，倒是已經(jīng)得到了驗證。
包括中國和美國在內(nèi)的一些國家，早就建立了陸基的量子通訊線路，也就是發(fā)射、傳輸和接收全都在陸地上，通過光纖傳輸。在中國，“京滬保密線”(北京-濟南-合肥-上海量子通訊干線)已經(jīng)落成，使用了中國量子科學(xué)泰斗人物，中科大潘建偉教授研發(fā)的中繼器，能夠順利將光子傳送數(shù)百公里的距離。
潘建偉教授
然而，光纖并非一種良好的光子傳播介質(zhì)。實驗室里最好的光纖能承載帶寬高達數(shù)十 Tbps 的光信號，也能讓你在中國的家里用 4k 清晰度觀看幾秒前里約奧運賽場上的畫面，卻無法在量子通訊的范疇里完好無損地傳播一個光子。效果已經(jīng)買過了量子加密最低的門檻，但還不夠好——你可以理解為，就算導(dǎo)電性能最好的導(dǎo)體也會自帶電阻。
事實上，光纖不完美，地面空氣也不完美。這讓不完美不成活的量子科學(xué)家們很是苦惱：視野必須轉(zhuǎn)向太空!
奧地利量子科學(xué)家，維也納大學(xué)教授安東·蔡林格(Anton Zeilinger)，在量子科學(xué)領(lǐng)域比潘建偉教授資歷更高，也是潘的導(dǎo)師。他早在 2001 年跟歐洲航天局(ESA)提出要搞量子衛(wèi)星，遺憾的是經(jīng)費一直批下不來。
后來中國方面提出并確定了量子衛(wèi)星計劃，蔡林格博士現(xiàn)在同潘建偉教授一起在“墨子號”項目組工作。
最近 ESA 轉(zhuǎn)過神來，決定把自己不輸給中國的技術(shù)利用起來，也搞一顆量子衛(wèi)星發(fā)到太空里。知乎用戶“ 宋祁朋 ”介紹，在前面提到的量子通訊具體實現(xiàn)技術(shù)上，中歐(主要是法國)之間是兩種不同技術(shù)并行發(fā)展。很難說誰更厲害，但合作起來肯定是棒棒的。
墨子號是科學(xué)家的第一次機會，能夠去驗證前面說的那一大段復(fù)雜而又酷炫的技術(shù)，究竟只是說說，還是真的能用。更別提衛(wèi)星發(fā)上去了，機器能不能正常運轉(zhuǎn)仍有待“觀測”——當然，科學(xué)家負責(zé)最壞的打算，我們負責(zé)最好的期待。
如果太空量子通信真的實現(xiàn)了，我們能用它做些什么?
在最近的未來，如果量子加密通信能夠為我們所用，可以用它來更安全地發(fā)送信息。只有信息的兩端知道信息的內(nèi)容，服務(wù)器端無法獲知也無法保存內(nèi)容，Telegram、PGP 之類的也許可以下崗了。
進一萬步，如果能直接將光子作為信息本身的傳遞工具，信息也就沒有“傳遞”一說了，而是是跨越時、空，直接呈現(xiàn)出來，真正的 real time~(還記得《三體》里的“智子”么?)
量子通信就是這樣的酷炫，但其根本原理仍超過人類認知能力和理解范圍。兩個糾纏的光子憑什么總能保持相同的狀態(tài)?一個變了另一個又是怎樣知道的?如果人類能夠在實現(xiàn)量子加密、量子信息通訊的同時或之后，得到這些問題的答案，距離宇宙終極原理就又近了一步。
不到那時，誰又知道它對人類來說，真正意味著什么呢?
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