（一）不講道理的奇怪世界
早在今年8月16日凌晨1時40分，中國在酒泉衛星發射中心使用長征二號丁運載火箭發射了世界第一顆“量子科學實驗衛星”。約十一分半后星箭分離，順利進入了距離地面500千米的太陽同步軌道。這是人類歷史上第一顆嘗試運用量子信息技術來實現 “天地交流” 的衛星。該衛星取名為“墨子”號，這位2000多年前的先人最早提出了光是直線傳播并設計了小孔成像實驗。"墨子"號是繼“悟空”暗物質衛星、“實踐十號”微重力科學實驗衛星后的第三顆科學衛星，由中國科學技術大學和中科院上海技術物理研究所共同研制，于2012年正式立項。那么“墨子”到底要做什么呢？量子又是啥東東？量子隱形傳態又是幾個意思呢？
量子通信衛星示意圖（來源：網絡）
首先，很多人以為量子就是指非常非常小的粒子，比原子更小，比質子還小。后半句半對半錯，前半句基本不對?！傲孔印币辉~最早是普朗克在研究黑體輻射的過程中提出的，剛開始他稱為“作用量子”（Quantum of action）。1900年12月14日——被量子理論先驅之一的索末菲稱之為“量子理論誕辰日”的這天，普朗克在柏林物理學會上宣讀了那篇具有跨時代意義的論文《正常光譜能量分布律理論》，得到一個重要結論：能量是由確定數目的、彼此相等的、有限的能量包構成?！傲孔印敝傅氖俏⒂^世界的一種行為傾向，分子、原子、基本粒子（如光子、電子等）都有可能是量子態的粒子，量子態的粒子會呈現明顯的波粒二象性。隨著量子概念的提出，就仿佛打開了潘多拉魔盒，引發整個物理世界一場“混戰”；同時，隨著量子理論的發展，這個真實的世界越來越讓我們“看不懂”了。
量子物理先驅之一普朗克（來源：網絡）
就如前文所說，所謂“量子”指的是粒子的能量是一份一份的，離散而非連續，就好比骰子上只有1、2、3、4、5、6這六個數，沒有2.3這個數。再舉個更生活化的例子，點心店里賣大饅頭、也賣小饅頭，但是這些饅頭都是一個一個且掰不開（就是這種新品種，至于為什么你管不著），所以你也只能一口一個這么吃。然而更奇怪的是，按我們生活常理，如果我吃兩個大饅頭能飽的話或許我吃6個小饅頭也能飽，然而在量子的世界不是這樣，要么大饅頭一吃就飽，要么吃再多的小饅頭也不能飽。這里也只是一個比方，就是指電磁波頻率越高，能量越大，照射到金屬上的光必須頻率高到一定程度如紫外光才能激發出金屬上的電子，頻率不到，照射時間再長也打不出電子。量子的世界就是這樣“無厘頭”，然而這僅僅是冰山一角。
太陽能電板發電原理就是來自光電效應（來源：網絡）
物理的研究對象是自然界各種各樣的存在，而粒子是存在的基本形態，各種物質都可以認為是由粒子組合的。對物質的描述實際就是對粒子的其狀態的描述。牛頓力學中指出要確定并預測物質或粒子的狀態就需要描述位置和速度（或能量）。這很好理解，我們觀察一輛汽車某一瞬時的狀態（位置和速度在x, y, z三個方向上的分量）就能預測其下一瞬時的狀態，這就是經典物理，描述的是經典粒子。然而我們世界中真正存在的量子粒子卻偏偏不是這樣。起初并不太看重實驗的海森堡最終意識到了光學儀器分辨率的不簡單，他發現光學儀器分辨率并不是可以無限提升，想看多小就看多小的。他提出了著名的“測不準原理”，就是說粒子小到一定程度，你要么就測它的位置，要么就測它的能量，兩者不可兼得。并且，如果要測得足夠小，那就要求用來觀測所使用的光的波長足夠小，這樣頻率就高了，于是又會影響到粒子的狀態，又測不準了。
海森堡測不準原理：要么測粒子的位置，要么測粒子的能量（速度）（來源：zazzle.com）
量子世界中存在這個神奇的“翹翹板”，一頭坐著位置，一頭坐著速度，它們此消彼長，不能同時處在地面（測準），這就是“疊加態”——所以速度的完全確定就導致了位置的完全不確定。而位置的完全確定又導致了速度的完全不確定。一個有完全確定速度的粒子狀態，是所有不同位置的粒子狀態的一個疊加。一個有完全確定位置的粒子狀態，是所有不同速度的粒子狀態的一個疊加。聽著既拗口又別扭是吧？對！量子的世界就是這樣虐心！如今薛定諤的那只小貓咪早已家喻戶曉。就如“宇宙大爆炸”一樣，起初都是對該理論的質疑或調侃，不曾想這些名稱卻變得那么地形象，家喻戶曉，甚至成為該理論的標簽。薛定諤的貓指的是密閉的房子里有一直貓咪，房子連著一個毒氣瓶，由一個有50%衰變概率的粒子控制，粒子衰變就會觸動機關打碎毒氣瓶，貓咪就死了。然而在不打開房子前，你并不知道貓咪是活著還是死了，它是“又活又死”或是“不活不死”的（不是半死不活），死和活是0和1這種對立關系，這種既可能是0又可能是1，就是一種疊加態。還有我們知道光的波粒二象性，就是既有波的特性，又有粒子特性，要么觀測波（如雙縫干涉實驗），要么觀測粒子（如光電效應），要同時觀察或測量波和粒子兩種狀態，很難很難。
總之，量子世界就是三個字——不知道。在使用某一種觀測手段對其進行觀測前，你不知道那些粒子到底是什么狀態，一旦觀測到其中某一種狀態往往就決定了你只知道這一種狀態，而另外的狀態也就不存在，你無法同時知道，前面所講的疊加態被打破了，這就是所謂的波函數塌縮，這就是所謂觀測決定了狀態。所以用一句很“量子”的話來說就是——量子物理是“眼見為實”，而不是“眼見為實”的——前者意思是“確實”，后者意思是“真實”。我們只有通過觀測才能確定下某種狀態，但這卻又不見得是真實的情況。
（二）不可破解的量子密鑰
觀測的方法決定了粒子的狀態，聽上去匪夷所思，而且怎么感覺有點“唯心主義”？然而無數實驗證明，我們的世界就是這樣，不管你信不信，不管你服不服，必須接受。
在很多科學理論發展之后，就會有人提出“有什么用”的問題?？茖W家也不例外。他們發現了量子特性的其中一項非常重要的應用——量子通信，更確切地說是量子加密通信。
傳統的加密方式是這樣：A將信息進行一定的數學運算，編制成一段看上去無意義信息（加密），傳遞給B；而B則需要進行相應的“逆運算”，再把無意義的信息翻譯過來還原成本來面目（解密）。不過這一過程要求A將密碼本傳遞給B，或者事先約定。傳遞密碼本很難保證絕對安全，即便在信息化的今天，依然如此，各種竊聽手段做的就是這事情。而且如今在億億次每秒這樣強大的計算機的支持下，即便他人沒有獲得密碼本，也可以通過一定的算法，甚至是暴力方式破解密碼。RSA512算法在1999年就被破解，RSA768在2009年被破解，MD5和SHA-1兩大密算也已告破。而在量子計算面前，傳統算法被碾壓式擊敗。經估算，利用經典的THz級計算機破解300位的大數需要15萬年，而使用Shor量子分解算法只需要1秒鐘！
傳統加密方法（來源：網絡）
如果采用量子通信方式或許可以解決這個問題。目前實用化的量子密碼是基于查理斯?本內特（Charles Bennett）和吉勒?布拉薩（Gilles Brassard）在1984年提出的BB84協議。該協議把密碼以密鑰的形式分配給信息的收發雙方，因此也稱作“量子密鑰分發”。該協議利用光子的偏振態來傳輸信息。振動方向對于傳播方向的不對稱性稱為偏振，現在很多太陽鏡就是偏振鏡。
高能預警：下面要開始解釋量子加密通信的原理了，請把安全帶扣好系緊。
光子有兩個偏振方向，而且相互垂直，所以信息的發送者和接收者都可以簡單地選取90度的測量方式，記作“+”，或45度的測量方式，記作“×”，來測量光子。在90度的測量方式中，偏振方向“↑”代表狀態0，偏振方向“→”代表狀態1；在45度的測量方式中，偏振方向“↗”代表狀態0，偏振方向“↘”代表狀態1。一方面，對于偏振方向“↑”或偏振方向“→”的光子，如果選擇“+”來測量，得到的結果仍是原來的偏振方向；如果你選擇“×”方向去測量，不論光子原來偏振方向如何，你都會隨機得到“↗”或者“↘”的光子，幾率各為50%。另一方面，但是如果選擇“+”來測量偏振態“↗”或“↘”，測量結果有50%的幾率為“→”，50%的幾率為“↑”；如果選擇“×”來測量“→”或“↑”，測量結果有50%的幾率為“↗”，50%的幾率為 “↘”。
光的偏振示意圖，對偏振方向“↑”的光子用“×”方向去測量會得到“↗”或者“↘”的光子，幾率各為50%（來源：phys.nchu.edu.tw）
大家應該知道現代計算機使用的是0和1的二進制碼，一個0或1被成為bit，音譯過來就是比特。為了加以區別，這種傳統的二進制方式被叫做“經典比特”。在量子信息學中相應的二進制碼叫一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態。一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態。
為了生成一組二進制密碼，發送者Alice首先隨機生成一組二進制比特，我們稱之為“發送者的密碼比特”。同時發送者對每個“發送者的密碼比特”都隨機選取一個測量模式（“+”或者“×”），然后把在這個測量模式下，每個“發送者的密碼比特”對應的偏振狀態的光子發送給接受者。比如下圖中傳輸一個比特1（藍色），選擇的測量模式為“+”，則發送者需要發出一個偏振態為“↑”的光子，再傳輸一個比特0（紫色），選擇的測量模式為“+”，發出一個偏振態為“→”的光子，以此類推。
量子密碼示意圖（來源：網絡）
接受者Bob也必須對接收到的每個比特隨機選擇“+”或者“×”來測量，測量結果記錄也對應好記作一組0和1的列表。當接收者獲得全部測量結果后，他將通過經典信道（電話、電報、短信、微信等）與發送者聯系，互相分享各自采用過的測量方式。這時，他們只保留相同的測量方式（“+”或者“×”）的數據，舍棄不同的測量方式的數據。保留下來的測量方式所對應的二進制比特，就是他們最終生成的密碼，如上圖中最后一行才是密碼。
就是因為存在這種奇怪的不確定性，對竊聽者來說就增加了很大的難度。他也同樣要隨機地選取“+”或者“×”來測量發送者發送的比特。例如發送者的測量方式為“+”，選擇發送“→”來代表1，那么如果竊聽者選取的測量方式也為“+”，他就不會被察覺。但是因為獲者是隨機選取測量方式，他有50%的概率選擇“×”，這樣，量子力學的測量概率特性使光子的偏振就有50%的概率變為“↗”，有50%的概率變為“↘”。而且，由于光子偏振狀態會受到觀測的影響，如果接收方測量的是經過截獲的光子，即光子的偏振已經因為量子測量已經坍縮成了50%的概率“↗”和50%的概率“↘”，接收方測量的最終結果便會變為50%的概率“↑”和50%的概率“→”。于是，當接收方再去測量這個光子偏振的時候，就會產生概率為50%×50%=25%的與發送方不同的測量結果。換言之，即便是有竊聽者，發送者與接受者也能立刻發覺，可以立即關閉通信，重新再發密碼。
由于存在量子不可分割、量子不可克隆、測不準等特點，再加上加密過程是一次一密，完全隨機，所以無論如何，竊聽者都無法達到竊聽的目的。所以，量子密碼本身可以說從根本上保證了傳輸信息過程的安全性。然而，他可以來個“魚死網破”，無法竊聽那就去干擾你破壞正常的密碼通信；或者，對經典信道進行竊聽，從而去做一定的猜測。所以從某種意義上講，這種量子通信方式依然還有短板存在。
量子保密通信的優點（來源：網絡）
（三）令人期待的未來世界
前文介紹了量子密碼通信，這里再介紹另一種量子通信方式，也是“墨子”號所使用的方式。
量子疊加態是量子物理中最神秘也是最基本的特性
，而量子糾纏是多粒子的一種疊加態。比如說同時產生的一堆雙粒子，粒子A可以處于某個物理量的疊加態，另一個粒子B同時也可以處于某個物理量的疊加態。當這兩個粒子發生所謂的糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，就稱之為糾纏態。奇怪的是，粒子的糾纏態是沒有距離限制的，無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處于0態時，B粒子必定處于1態；反之，當A粒子處于1態時，B粒子必定處于0態。影響雙方的量子糾纏是跨越時空瞬間產生的，愛因斯坦認為這違反了他的相對論，因此提出強烈質疑，并稱其為“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance)。
量子糾纏示意圖（來源：網絡）
為了招安這個叛逆，科學家提出了“隱變量理論”來解釋這種超距相互作用，然而，不幸的是后來越來越多的實驗都力挺量子力學，反而把“朝廷”頒布的“隱變量理論”詔書宣判了死刑。從此，量子力學與愛因斯坦改良后的經典力學分庭抗禮。
我們都知道量子力學為現代計算機的發展發揮了巨大作用，我們的芯片越來越小，速度越來越快，但曾經神奇的“摩爾定律”似乎也遇到了瓶頸。這個技術說到底還是基于經典力學的，二進制碼0和1是通過高低電平控制半導體的通路與斷路。隨著量子力學體系的完善，量子技術的應用就成為人類的下一目標，量子信息學就此誕生。在量子信息學中，量子糾纏就不僅僅是一個基礎理論了，而是作為量子信息科技的核心。
在量子信息范疇，就要求真正地使用量子技術，我們把利用量子糾纏態的量子通信就是叫量子隱形傳態（quantum teleportation）。通俗地講就是使用量子糾纏的原理和量子技術傳送量子的狀態，這里的“隱形”也只是一個比喻。所要傳送的量子的狀態就是量子比特，一個量子比特就是0和1的疊加態。但是需要指出的是，經典比特的0和1是兩個值，而量子比特的0和1可以看作兩個向量，一個量子比特可以是0和1這兩個向量的所有可能的組合（好比是兩個向量之間可以有各種角度），因此理論上講一個量子比特的值有無限個。
那么量子隱形傳態實現的原理又是什么呢？
第一步，制備。制備一個糾纏粒子對。將1個粒子發送到A點，另一個粒子發送至B點。
第二步，測量。在A點，另一個粒子3攜帶一個想要傳輸的量子比特Q。于是A點的粒子1和B點的粒子2對與粒子3一起會形成一個總的糾纏態。這時候如果在A點同時測量粒子1和粒子3，得到一個測量結果。如此以來，這個測量會使粒子1和粒子2的糾纏態坍縮掉，粒子1會呈現0或1的狀態，相應的粒子二就會呈現1或0的狀態。但同時粒子1和和粒子3卻糾纏到了一起。
第三步，通知。A點的人利用經典通訊方式，電話、電報、短信、微信都可以，把自己的測量結果告訴B點的人。
第四步，探知。B點的人收到A點的測量結果后，就知道了B點的粒子2處于哪個態。只要對粒子2稍做一個簡單的操作，它就會變成粒子3在測量前的狀態，如此，也就是說，B點的人在沒有見到粒子3的情況下，就可以獲得粒子3所攜帶的量子比特。
量子隱形傳態示意圖（來源：網絡）
就這樣，通過量子隱形傳態的方法，即通過量子糾纏把一個量子比特無損地從一個地點傳到另一個地點。需要注意的是，其中第三步仍然需要依靠經典信息傳輸而且不可忽略，而這種傳輸方式顯然是無法超過光速的，因此量子隱形傳態的信息傳輸速度也沒有違反相對論，也沒有違反因果律。
進行量子隱形傳態試驗，這就是“墨子”號要做的事情。“墨子”號會在空中向兩個地面接收站分發一個糾纏光子對，然后讓兩地同時進行測量，這樣就解決了高速傳遞密鑰的問題，利用量子糾纏來實現量子比特的傳輸，這才是真正意義上的量子通信，也有望實現真正“不可破解”的保密通信。此外，考慮到量子計算需要直接處理量子比特，于是可以直接傳送量子比特的量子隱形傳態毫無疑問將成為未來首選的量子通信方式。未來量子互聯網將是“一步登天”的，即由地面量子通信網絡、量子計算機終端、量子通信衛星和量子隱形傳態技術一同構成。未來的量子信息時代妙不可言！