科普|走進神奇的量子世界


科普|走進神奇的量子世界

2021-01-15 江西省教育廳

量子通信絕對保密 惠及千家萬戶

這兩天,酒泉衛星將擇機進行一次受到全世界關注的火箭發射,不是因爲長征火箭又要更新換代,也不是因爲有航天員要飛向太空,而是因爲這次長征火箭搭載著一位重量級的乘客——量子衛星,它有著獨步天下的本領,就是進行量子通信。量子通信最大的特點就是所有的數據和信號傳輸都絕對保密,再也不必擔心任何信息會被竊取,包括咱們的銀行卡密碼。所以說,這將是一項能夠惠及千家萬戶的科學技術。目前,發射工作已經準備就緒,這兩天,這顆衛星就要擇機發射升空。

神奇的量子:既有絕技又有怪癖

說到量子,它有兩個堪稱神奇的絕技,就是分身術和遠程心靈感應。別小看這兩門功夫,要知道最強悍的量子計算機和最安全的量子通信,關鍵靠的就是它們。量子的分身術也叫量子疊加,就是一個量子可以同時存在好幾種狀態。那麼分身術幹嘛用呢?首先一個應用就是幫我們的計算機實現並行計算。這能力有多強,大家可以想像一下幾十個孫悟空打妖怪。舉個例子,如果我們分解一個300位的大數,用現在的計算機,需要15萬年,用量子的分身術幫我們並行運算,只要一秒鐘就可以算出來。

量子的另一個絕技遠程心靈感應,學名叫量子糾纏。就是如果兩個相似的量子距離足夠近,就會發生糾纏,然後你把他們分開無論多遠,這兩顆量子的狀態就好像一對有心靈感應的雙胞胎一樣,一個開心,另一個也會笑,一個哭了,另一個一定也難過。這個可能是科學中最奇特的現象之一。

說到這裡,大家是不是覺得量子很神奇?其實還不止於此,神奇的量子還有兩個怪癖,不可分割、不可克隆。別嫌它古怪,要想做量子保密通信還真得靠它的這兩個不可以。我們就是利用量子的這兩個怪癖,可以製作出最安全的保密鑰匙,可以讓我們目前的信息傳輸變得更安全。

全球首發 中國量子衛星即將升空

量子的特性了解了,那麼即將發射的量子衛星究竟長什麼樣?它在太空的兩年時間將要進行什麼實驗?下面,我們就通過現實增強技術,爲您直觀解析這顆領先世界的超級衛星。

央視記者 帥俊全:這裡是酒泉衛星發射中心,塔架上長征二號丁運載火箭所搭載的就是量子衛星,這也是世界首顆量子科學實驗衛星。量子衛星的個頭並不大,是個邊長只有1.7米左右的立方體,體重也只有640公斤。我們現在就給您看看這顆量子衛星的內部結構。可以看到量子衛星內部可以分爲上下兩層,就像我們樓房一樣,是個複式結構。下層是電源、測控等常規的衛星平台;現在我們把上層的這四個量子衛星特有的部件展開來看一看,這個是量子密鑰通信機,主要負責發射作爲密鑰的單個光子,這個是量子糾纏源,主要負責生成呈糾纏狀態的成對光子,這個是量子糾纏發射機,主要負責和量子密鑰通信機一起把呈糾纏狀態的兩個光子同時發射到兩個地面站,這個是量子試驗控制與處理機,是實驗任務的控制和處理系統。正是由於具有這些特殊的載荷,讓量子衛星擁有了不同的本領,下面就讓我們跟隨量子衛星的足跡,去探尋量子的奇妙世界吧!

【實驗一】量子密鑰分發=量子保密通信

那麼,量子衛星發射到距地球500公里的軌道高空太空後,到底要做哪些實驗呢?現在記者來到量子衛星實驗的地面觀測站,量子衛星第一個實驗是量子密鑰分發,就是要從衛星上將單個的光子分別發射到北京和烏魯木齊的兩個地面觀測站的接收裝置上,然後實驗人員通過測量光子來接收密碼。

【實驗二】量子糾纏分發 驗證超遠距離作用

第二個實驗是量子糾纏分發。太空上的量子衛星先製備出一對糾纏光子,然後同時將這對糾纏光子分別發送到雲南和青海的地面觀測站。按照量子糾纏理論,只要我們測量糾纏狀態中的一個量子,就能知道另一個量子的狀態,我們形象地說就是雙胞胎的心靈感應。接下來實驗人員就要同時對這兩個接收到的光子進行獨立測量,從而驗證千公里級的空間距離下這種「幽靈般的超遠距離作用」是否真的存在。

【實驗三】量子隱形傳態 量子世界的時空穿越

時空穿越一直是人類的夢想。在量子世界中,這種時空穿越的現象卻真的存在,這就是量子衛星要的第三個實驗,量子隱形傳態。顧名思義,就是用隱形的方式傳輸量子的狀態。這個實驗首先要在地面實驗站里製備一對糾纏光子,然後把其中一個留在地面實驗站,把第二個發射到太空的衛星上。這時候,科研人員會再製備出第三個新的光子,並讓第三個光子與留在地面實驗站的那個光子形成糾纏狀態。按照量子理論,在地面兩個光子糾纏在一起的同時,天上的光子不再和地面的光子糾纏,反而會呈現地面上第三個光子的狀態,就好像把地面的第三個光子瞬間傳遞到了空中。科研人員所做的,就是要首次在星地之間驗證量子的這種隱形傳態。

好了,量子密鑰分發、量子糾纏分發、量子隱形傳態,這就是量子衛星的三大使命。

內容來源:央視新聞客戶端