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未来讲堂｜世界首颗量子科学实验卫星——墨子号

2022-04-24 10:46

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

百年，坚忍无畏，改天换地；

十年，开拓创新，成就非凡；

问江山何以壮美如画卷？

民族梦想，伟大复兴，勇毅前行！

讲述：任志宏提问：龙思彤

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2016年8月16日，世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”顺利升空，标志着我国空间科学研究迈出了重要一步；也标志着人类对于量子物理的研究，正逐步从理论研究走向现实应用。而对于量子物理来说，这还仅仅是人类迈出的“一小步”，一场“量子革命”，也才刚刚拉开大幕。

量子被认为是物理世界里最小的、不可分割的基本个体，量子拥有许多“反常识”的奇妙特性，比如量子态叠加、量子纠缠、量子不可克隆定理等等；“墨子号”量子卫星就是要利用量子的这些特性来做一系列的科学实验。

老师，您刚刚提到的那些特性我都不懂。您能以量子纠缠为例给我讲讲到底是怎么一回事吗？

可以这样理解，就是两个相关的量子，存在着某种“心电感应”，无论两者相距多远，都能在一瞬间同时改变状态。而这种特性打破了以往科学家对物理世界的认识规律，甚至一度遭到爱因斯坦的怀疑。不过科学研究最终证实，这种“幽灵般的超距作用”确实是存在的。打个比方，就相当于有人拿了一副手套，其中一只寄到了香港，另外一只留在北京的纸箱里，大家都不知道邮寄到香港的那只手套是左手还是右手。但有一个方法，就是你打开留在北京的纸箱，当你看到箱子里那一只手套的瞬间，就可以同时确定寄走的那一只是左手还是右手啦！这就是相当于一种“纠缠态”，无论它们距离有多远，你都可以瞬间就确定。

有了“量子纠缠”这样的情况，科学家于是就想到了利用粒子的这种特性制备一组互相纠缠的量子，并分别放在跨度很远的两个空间，然后改变其中一个量子的状态，也就能够瞬间改变了另一个量子的状态，这样就可以达到信息的瞬间传输了。“墨子号”就是用来进行这样科学实验的一颗卫星。

老师，现在我们的“墨子号”都做了哪些实验呢？

好的，我来回答你的问题。我国的“墨子号”量子科学实验卫星预先设定了三大科学目标，第一是量子密钥的分发；第二是量子纠缠分发；第三是量子隐形传态。

量子密钥分发，通俗的说就是量子保密通信。也就是当卫星在轨运行的过程当中，它会将不同的单光子束分别发送到两个不同的地点，在实际的实验中设定的是北京的兴隆站和新疆的南山站，然后地面的工作人员将接收到的光子进行测量，从而约定密码，最终以实现遥远两地之间绝对安全的量子保密通信。

第二个实验就是量子纠缠分发。实验中，卫星会制备出一对纠缠的光子，然后把它们分别发送到位于云南的丽江站和青海的德令哈站。那么根据量子的纠缠理论，虽然这两个量子它们的状态不断变化，而且是不确定的，但是只要测量其中的一个光子，就知道另外的一个光子的状态了，我们形象地说就好像是双胞胎的心灵感应。接下来实验人员同时对这两个接收到的光子进行独立测量，从而验证爱因斯坦所说的这种“幽灵般的超距作用”是否真的存在。

时空穿越一直是人类的梦想。在量子世界中，这种时空穿越的现象是否真的存在，这就是量子卫星要做的第三个实验，量子隐形传态，就是用隐形的方式传输量子的状态。实验中，科研人员会在地面的实验站制备出一对纠缠光子，一个留在地面，一个发送到卫星上。那么与此同时，科研人员还会再制备出第三个光子，让它和地面的光子发生新的纠缠。按照量子的理论，在地面的两个光子纠缠在一起的同时，天上的光子不再和地面上原来的光子纠缠，反而会呈现出地面上第三个光子的状态，就好像把地面的第三个光子瞬间传送到了空中；这听起来是不是很奇妙啊！

老师，不仅奇妙，这些说法也太烧脑了，我们听的似懂非懂啊！

嗯，这位同学说的太好了！而且这个说法很“准确”！就是“似懂非懂”。是这样的，量子物理在物理学的领域虽然有一百多年了，它的“独特魅力”也正在这里。上百年来，无数的科学家投身其中，但研究的成果仍然很有限，就在于它用语言很难描述明白。所以，在量子物理学领域有这样一个说法：如果你说，你真正了解了量子物理学，那说明你还没有真的搞懂呢。不过，量子物理学的魅力就在于，在人类没有彻底搞明白之前，它却是可以边探索边应用的，这也是我国“墨子号”量子科学实验卫星的魅力所在啊！

老师，请问现在“墨子号”怎么样啦？

目前“墨子号”量子科学实验卫星还在太空飞行，科学家们还在做着各种探索和实验。它获得的科研成果也不断被国际科学界认可和肯定。比如在2019年1月份，美国科学促进会就宣布，“墨子号”量子科学实验卫星科研团队被授予了2018年度克利夫兰奖，以表彰科研团队通过实现千公里级星地双向量子纠缠分发，为推动大尺度量子通信实验研究做出的卓越贡献。这是这个奖项设立90多年来，中国科学家在本土完成的科研成果首次获得这个荣誉。而在之前的2018年12月17日，“墨子号”完成的洲际量子密钥分发研究成果，还被列入美国物理学会2018年度国际物理学领域的十项重大进展。

目前我们的科学家还正在探索，争取把量子卫星的重量由现有的几百公斤降低到几十公斤以下，同时把地面接收系统的重量由现有的10几吨降低到100公斤左右，实现接收系统的小型化、可搬运，为将来卫星量子通信的规模化、商业化应用奠定基础。

说到商业运用我还要补充一点，就是实用化的量子保密通信技术正在蓬勃发展，但要进一步实现从实用化到产业化规模应用，还面临着不少挑战。其中，标准化是关键一步，是未来产业成熟发展的基石。

目前，我国正全力推进“量子密钥分发”的标准化相关工作。2017年成立了量子通信与信息技术特设组，正在围绕量子保密通信标准体系的术语、应用场景、网络架构、技术要求、测试方法、应用接口等内容编制有关国家标准和行业标准。另外，我国专家在推进国际标准化进程方面也在不断地探索和努力。希望同学们保持一颗好奇心，不懂就问，去学习，去探索，将来为我们的科学研究做出自己的贡献。

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讲述：任志宏