《科学大家》专栏|“墨子号”——漫漫追星路

出品：新浪科技《科学大家》、墨子沙龙

撰文：印娟 中国科学技术大学教授，国家优秀青年科学基金获得者，“墨子号”量子科学实验卫星量子纠缠源载荷主任设计师

墨子号是全球首颗量子科学实验卫星，是十二五期间立项的四颗先导卫星中的一个。它在2011年由中科院牵头研制，于2016年8月16号在酒泉卫星发射中心发射，并从此进入了公众的视野。算一下研制周期，墨子号的研制总共大概花费了五年的时间。

卫星发射以后，首先进行了四个月的在轨测试，2017年的1月18号正式交付使用，供科学家进行科学实验。墨子号设定的使用寿命是两年，因此我们需要在两年内完成全部预定的科学实验。但实际上，在卫星发射之后一周年的2017年的8月，就已经完成了所有的实验。后续的这三年，我们一直都在开展相应的拓展实验。

从卫星发射至今又过了四年，加上卫星研制的五年，就有点类似于上海小朋友的九年义务教育体制：五年的小学、四年的中学。很自然的，有九年义务教育，也就有学龄前的六到七年的时间。

2012年底，《自然》杂志以“空间量子竞赛”为题，介绍了我国和欧洲团队在自由空间量子通信方面的竞争。然而，最早在2005年，我们就已经在合肥开展了首个13公里的纠缠分发的实验。也就是说从2005年到2011年，再到2020年，它相当于经历了学前儿童、小学和初中，如今已经成长为一名高中生。在整个这样一个成长过程中，它到底解锁了哪些这样的技术，以及它又取得了哪些很有显著性的成果？这就是我今天要跟大家介绍的内容。

首先我还是要介绍一下量子基本概念。量子是构成物质的最基本单元，它是能量的最基本的携带者。日常生活中的光源，比如灯、太阳等，你看到的是一个整体的亮度，如果把这样的能量细分，分到最后无法再分割的时候，就是一个光子。不可分割的这样一个光子，就是一个量子；同样，原子、分子也是量子的一种表现形式。只需记住一点，量子是不可分割的。此外，当用某个量子来做量子通信的一些实验时，从理论上就不可能再找到一个跟它一模一样的量子，让我能够偷偷在旁边去观测它或者是干任何其他事情，所以它是唯一的。

量子还有一个特性：相干叠加性。经典比特可以是在0或者1中的某一个状态，而量子比特可以处在|0> +|1>的混合态，可以以不同的比例混合。如果你去对它进行任何的测量的时候，其状态就会塌缩，所以它是唯一的。打一个简单的比方：一个飞速旋转的硬币，在被拍下来之前，你不知道他处于正面还是反面；如果去拍它，它会按照一定的概率塌缩，但那个塌缩后的状态并非其原始的飞速旋转的状态。所以对量子的单次测量不能够得到其全部信息，因而就不能够重新构造，也就不能够被复制。

对于单粒子的体系，结合前面所述的量子的不可分割性、测不准特性、以及不可克隆性，就形成了在量子密钥分发里安全性的基础。而对于双粒子的体系的相干叠加性，会形成一个更有趣的性质——量子纠缠。

我是“墨子号”量子科学实验卫星项目中，负责制造天上量子纠缠源的主任设计师，因为后面的介绍会涉及量子纠缠，所以在这里先介绍一下处于量子纠缠态的两个量子会有哪些特性。大家对“薛定谔的猫”有一定的概念，这个猫可能会处于活的状态，或者是死的状态，或者是半死不活的状态。但是对于其他的量子，可能会有很多种能够塌缩的状态，比如六面的骰子。当两个骰子处于纠缠状态的时候，如果对其中一个进行测量，假如说它处在3的状态，那么不管另外一个骰子相距多远，哪怕是跑到月球上去，它也会同时立刻的塌缩到3的状态。这种现象即为量子纠缠，在当时被爱因斯坦称为遥远地点之间的诡异互动。

量子纠缠这样一种无论分隔多远都有关联的现象，可以用做量子通信和量子隐形传态。此外可以用来检验量子力学的基本的概念，同时也是可升级量子信息处理当中的核心资源。