为何我国刚发射的量子卫星让美国震惊?

　　作者 | 出门问问，中国人工智能公司。转载请注明出处

　　最近一直忙于关心奥运和八卦宝强，现在终于消停一点了，于是我决定整理出这篇有趣又烧脑的大事。

　　

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　　这还要从几天前说起，当时小编不经意间发现了这条消息——

　　《世界首颗量子卫星“墨子号”发射圆满成功！》

　　说实话，对于这种官腔标题，一开始我是拒绝的。但看到“量子”两个字，作为资深《球形闪电》粉丝的小编，立刻意识到这是个好东西，于是虎躯一震点了进去······

　　

　　新闻很简单：

　　8月16日，酒泉卫星发射中心，发射了一颗卫星。和以往所有卫星不同的是，这是全世界第一颗上天的“量子通讯卫星”，被命名为“墨子”。而这，意味着

　　① 我们将进一步验证量子力学理论；

　　② 这可能发展出无法被破解的通信加密技术。

　　据说，听说此事后对岸的美帝很恼火很震惊。因为，这一次黑科技比拼上，我们竟然超过了他们。

　　

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　　读到这里，你可能会觉得：“为什么我感觉也没什么了不起的？你看，发朋友圈都三天了还没人点赞······” 撇开无赞不谈，事情本身确实极了不起！下面，小编将分别为你介绍量子叠加态、量子纠缠，最终帮你理解“量子通信”与墨子号。

　　1、量子的“叠加态”是什么？

　　高中时，你掰扯着手指：分子、原子、原子核、质子、夸克······看样子，物质是可以无限细分下去的，只等待我们去发现。但量子理论则说，不仅有形物质，还包括能量，都存在最小的不可分割的基本单位，这个基本单位就是“量子”。

　　那么量子有什么特点呢？

　　假如，有一部可以改变你身尺度的电梯。这部电梯越往上，你会越大。它的最上层可让你跨入宇宙尺度，最下层则让你进入比原子、质子还小的量子世界。那么量子世界是什么样的？在这里，时间跟空间都被扭曲变形，传统概念中的上下、左右，甚至时间的前后，都不复存在。当你走出电梯门，跨进量子世界时，此时你既在A点，也在B点，甚至你扭头一看，其实你刚从电梯门出来······

　　图片来自纪录片《优雅的宇宙》

　　这里说的，就是量子的“叠加态”——既是A状态，也是B状态，是多种状态的叠加态。就像处于量子状态的“薛定谔之猫”，它既是活的，也是死的，既不是活的，也不是死的——是生和死的叠加态。

　　请注意：在薛定谔的猫中，叠加态是区别于生的状态、死的状态的第3种状态。这可能让人很费解。但是他不是概率理论，不表示“猫有50%的存活可能，也有50%的死亡可能”，是生死之外的一种状态。

　　我们知道，宏观的事物，即你肉眼所及的所有事物，你看它一眼，它并不会改变什么，所以我们才会观察到万物运转，从中总结出知识。但量子力学则说：观察，会改变量子本身。每次宏观世界的观察者看它时，它就会从叠加态转变为确定态。也就是说，当你打开那个关着薛定谔之猫的箱子前，猫既是活的，也是死的；打开后，它才会真正表现出一种态——活着，或者死了。

　　2、量子的神奇特性——量子纠缠

　　中科大量子信息实验室的郭光灿院士曾经打过一个比方，在美国的女儿生下孩子那一瞬间，远在中国的母亲就变成了姥姥，即便她自己还不知道。之所以她一定会成为姥姥，就是因为她和女儿之间有一种“纠缠”关系。

　　前面已经知道了，量子是同时处于多种状态的，只有当观察到它时，它才会表现出确定的某一种状态。而处于“纠缠”关系的两个粒子则是：当你观察到其中一个表现出A状态时，另一个粒子无论相隔多远，一定表现出B状态。

　　再次拿倒霉的薛定谔之猫做类比——假设两只“量子纠缠”关系的猫，你打开其中一个箱子，发现里面的猫死了；那么另一只不用看，它一定活着。

　　

　　这种神奇的量子纠缠现象一直是个迷。这两个“拜把子”粒子是如何实现联系的？人们到现在也没搞懂。用爱因斯坦的话说，就是幽灵般的超距作用。但这不妨碍我们尝试利用这一原理“造福人类”。

　　3、量子通信与“墨子号”

　　聪明的你很快想到了：造福人类的方法，就是把它应用到通信领域！事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方。当一端的人观察到手中的粒子是A状态后，立刻就能得知另一端的人手中的粒子状态。再通过一些技术性操作，不就实现了某种程度上的信息传递了么？

　　嗯。上述猜想是正确的，而且科学家们已经在做了。

　　还记得《三体》中的三体人，是如何实现与几光年之外“智子”之间的通信吗？没错，就是利用了量子纠缠理论。目前我们还没法实现几光年之外的量子通信，但“墨子号”是人类首次进行地面与太空的量子通信。

　　

　　好，墨子号升空了。那么量子通信有何神奇？

　　我们先来复习一下：

　　① 宏观世界的观察，会改变量子本身；

　　② 量子在无人观察时，处于多种状态的叠加；

　　③ 处于纠缠关系的两个粒子，其中一个被观察到A状态时，另一个粒子一定是B状态。

　　因此答案是：安全和高效。

　　安全：用量子加密的密钥是随机的。即使被窃取了，但窃取者的观察行为，会改变量子本身，也就是说窃取者永远也得不到原本正确的信息。因为这个悖论般的存在，量子通信目前是绝对安全。

　　高效：被传输的未知量子在被测量之前会处于叠加态，即同时代表多个状态，所以量子通信包含着极大的信息量。一次传输，就相当于经典通信方式的128次。以我们目前的常用带宽，如果换成量子传输，也许一秒间就能下载好几部电影。顺便说一句，这种特性也是量子计算机的原理之一。

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　　现在，你知道了吧？这次量子卫星的发射，绝对是里程碑式的存在。如果说第四次科技革命正在发生，量子科技绝对算得上。幸好，这一次我们走在了前头。所以，你是不是该为科学家们点个赞？

　　

　　声明：薛定谔之猫的例子仅为了方便理解，事实上量子理论不能被引用到宏观世界。如有其它谬误，请不吝指出。

　　最后，附三本值得读的量子类读物。

　　1、《上帝掷骰子吗：量子物理史话》作者 | 曹天元

　　

　　内容 | “谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑，那他一定没听懂。”人类社会发展到21世纪，局限的物质观早已无法解释恢弘的宇宙。相对论和量子力学打破了经典物理学和经典时空观，所有人类社会所依附的因果、客观和实在全面崩塌。

　　可是这和我们又有什么关系呢？我们一笑而过，继续沉浸于学业、事业，在平庸的生活中忙碌度日。清华学者刘兵这样评价这本书——“努力言说不可言说之事”。上帝掷骰子吗？这是一个普通人不一定要亲自寻找答案，却一定要思考过的问题。

　　评论 | 量子力学，神秘，复杂，却不晦涩。与此相反，它闪闪发光，或许这就是求知对人类亘古不变的引力。

　　2、《球状闪电》

　　作者| 刘慈欣

　　

　　内容| 科幻巨作《三体》同一作者刘叔另一部饱受好评的科幻小说，融合科技新领域和引人入胜的剧情，让人欲罢不能。

　　它讲述了一颗球形闪电奇幻地降临于一位少年的生命中，风驰电掣间夺走了他的双亲，改变了他的一生。他的一生从此注定追逐这个自然之谜，从科学研究到“新概念武器”。当大自然的神力为人类所用，当终极武器横空出世，当冰冷的“蓝太阳”在苍茫戈壁上升起，历史将被改写，未来以一种不容置疑的姿态呈现在渺渺众生的眼前。

　　评论| 想象你已经装备上了一枚球形闪电，很好，盯住目标，千万别眨眼……

　　3、《寻找薛定谔的猫》

　　作者| [英]约翰·格里宾

　　

　　内容| 虐猫达人薛定谔和虐狗大人巴甫洛夫一样闻名全球，即便是小学生也多多少少听过他的实验，还可以偶尔甩出只言片语提高一下格调。然而这只不死不活的猫到底有什么意义？

　　此书被誉为量子物理学科普神作，格里宾语言平实易懂、生动有趣，较为全面、详细地介绍了量子理论的发展过程和基础理念。其中包括每一次实验的过程和结果，读者可以跟随科学家探索的步伐经历每一次狂喜和失落。更为惊人的是，此书在十几年前便预言了量子粒子被用于星际的信息远程传输的作用，可以通过量子效应保证信息不致被截获和破译，这正是“墨子号”的研究目标。

　　评论| 原文非常精彩，据说翻译有点差，有能力的小伙伴可以尝试原版。

　　更多信息可以访问Ticmirror官网，问问魔镜官网。

　　本文作者“出门问问”是由前谷歌科学家李志飞博士于2012年创立的一家中国人工智能公司。2015年10月，出门问问获Google投资，累计共获得千万元美金的投资。

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