《物理學(xué)家》：這不是任何人都會問的問題，只是興趣的延伸

幾周前，QUESS（空間尺度量子實(shí)驗(yàn)）開始將量子信息傳送到Micius上，并且是在相距1200公里的地面站之間進(jìn)行傳送。這無疑是令人興奮的，因?yàn)樗C明了簡易（低價(jià)）、高保真、長距離量子糾纏的可行性，這恰是所有量子通信的關(guān)鍵。Micius是全球規(guī)模的量子基礎(chǔ)設(shè)施的第一個不穩(wěn)定性支柱。

興隆的激光器與世界上第一顆"量子衛(wèi)星"Micius對話的延時攝影。

糾纏態(tài)基本上是相關(guān)和疊加的組合。比特和量子比特的區(qū)別在于，比特是1或0，而量子比特同時是1和0。一個量子比特可以有很多不同的形式（就像一個比特可以有很多形式一樣）：在這種情況下，往往使用光的偏振。偏振狀態(tài)有兩種可能，相比較于編碼兩種可能性，即0和1來說是完美的（順便說一下，對于制作3D電影來說也是完美的；每種偏振對應(yīng)到每雙眼都是電影的呈現(xiàn)）。

光的偏振可以指向任何方向（垂直于行進(jìn)方向），所以她可以不止描述0或1，還可以描述兩者的組合。

一個光子可以處于水平和垂直極化的疊加狀態(tài)。測量之中，她們總是處于一種狀態(tài)或另一種狀態(tài)（0或1）。但在測量之前，我們可以對量子比特做很多巧妙的事情。

雖然不可能確定結(jié)果，但當(dāng)你看到"0"或"1"的概率是由狀態(tài)描述的（在上圖中，"0"的可能性更大，但不能保證）。糾纏粒子的奇異之處在于，只要你以同樣的方式測量她們，她們的隨機(jī)結(jié)果將是相關(guān)的。對于最簡單的一種糾纏狀態(tài)，|Phi^+angle，結(jié)果是一樣的。如果兩個光子處于共享狀態(tài)如|Phi^+rangle，你發(fā)現(xiàn)其中一個是垂直偏振的，那么另一個也會是垂直偏振的。

隨機(jī)，但彼此都是一樣的。不幸的是，實(shí)際上與任何一個粒子的任何相互作用都會打破糾纏，最終你將只剩下一對普通不相關(guān)的粒子。

這篇關(guān)于糾纏的討論將涉及到更多細(xì)節(jié)。

如何得到相隔數(shù)千公里的糾纏粒子的？仔細(xì)閱讀下文。

QUESS正在做的，正是"量子通信"的全部內(nèi)容，是讓兩個糾纏的粒子即便相隔很遠(yuǎn)，也不會意外地破壞糾纏或丟失粒子（而當(dāng)她們從太空中被發(fā)射到你身上時，這是很難的）。

如果兩個相距甚遠(yuǎn)的各方共享一對糾纏的粒子，他們就可以開始做一些相當(dāng)了不起的事情。其中之一就是能夠從一個粒子向其糾纏的孿生粒子發(fā)送量子比特，所謂"量子遠(yuǎn)程傳輸"。量子傳送需要一對糾纏的粒子和一個"經(jīng)典通信渠道"（這包括但不限于大聲喊叫）。滿足這些條件，我們可以很容易地將一個量子比特，從一個地方"傳送"到另一個地方。

頂部：一個你想傳送的狀態(tài)，A，以及兩個共享糾纏狀態(tài)的粒子，B和C。

中部：測量A和B的一些相對屬性，并將結(jié)果發(fā)送給擁有另一個糾纏粒子的人?；谶@些信息，另一個糾纏粒子被控制。

底部：這將導(dǎo)致糾纏被破壞，但C承擔(dān)了A的原始狀態(tài)。

Qubits（一般的量子態(tài)）是極其微妙的。任何能夠讓任何東西確定其狀態(tài)的相互作用都會使該狀態(tài)"塌縮"——一個量子比特從0和1變成了0或1，而所有可能與該疊加狀態(tài)有關(guān)的優(yōu)勢都會消失。因此，遠(yuǎn)程傳輸需要測量要發(fā)送的量子比特A，但不需要實(shí)際確定關(guān)于她的任何東西，這非常困難。解決這個問題的方法是做一個特殊的測量，這種測量要對A和B進(jìn)行比較，但并不直接測量其中任何一個。假設(shè)你知道兩枚硬幣有相同或相反的情況，那么你就相當(dāng)于了解到了關(guān)于這兩枚硬幣的一些情況，但其實(shí)對她們中的任何一枚都沒有具體了解。

同樣的想法也適用于量子傳送。糾纏態(tài)的中心思想是，如果B和C是糾纏的，那么她們對測量的反應(yīng)是相同的。因此，通過比較A和B并了解她們的不同之處，你也在了解A和C是如何不同的。知道了這一點(diǎn)，你就可以弄清楚需要對C做什么來使其具有和A相同的狀態(tài)，而這一切都不需要實(shí)際了解那個狀態(tài)是什么。即使假設(shè)C在我國的遠(yuǎn)方，你也可以直接告訴擁有她的人測試的結(jié)果是什么。對于硬幣/常規(guī)比特，你只需要發(fā)送一個比特的信息——比較的結(jié)果是"相同"或"不同"。而量子比特，你需要發(fā)送兩個比特，因?yàn)榱孔恿W(xué)是十分復(fù)雜的。下面將會講到有關(guān)于量子傳送如何工作的更多細(xì)節(jié)。

物理學(xué)家大都不會對地面到空間的量子傳送能起作用感到十分驚訝（因?yàn)闆]有人憑直覺建造和發(fā)射航天器）。從來沒有任何跡象表明，距離是量子糾纏的一個因素，所以這不是一個克服物理規(guī)律的問題，只是繞過了（很多）工程上的困難。用房間兩邊的設(shè)備進(jìn)行瞬移是很容易的。這里的區(qū)別是，"房間的另一邊"正以大約8公里/秒的速度移動，而且是在虛假的空間里。

量子狀態(tài)是微妙的，所以我們得能夠捕捉、操縱和準(zhǔn)確測量單個光子的狀態(tài)，并將干擾降到最低。假設(shè)你沒有讓別人大聲讀這篇文章，就可以觀察到，光子在空氣中攜帶的信息相當(dāng)流暢。真的非常流暢。而在足夠大的距離上，即使是干凈的空氣也沒有這么好。目前這個相同過程的穿越空氣記錄在幾個加那利群島之間，有143公里。那143公里穿過我們大氣層中最密集的區(qū)域（海平面）。你和太空之間的空氣量與你和地面上7公里外的任何東西之間的空氣量差不多（你越往上走空氣越稀?。Ｋ灾鄙蟼魉蛻?yīng)該比在地面站之間傳送更容易。

一般來說，傳遞完整的量子信息的最大問題是所有的東西都在行徑路程中，所以空間顯然是一種解決方案?？臻g的問題涉及距離：東西離得越遠(yuǎn)，目標(biāo)就越小。在兩個地點(diǎn)之間建立糾纏，需要在一個地點(diǎn)創(chuàng)造一對糾纏的粒子，然后將其中的一個發(fā)送到另一個地點(diǎn)。QUESS設(shè)法捕捉到大約每600萬個光子對中的一個，而且她在白天不工作，因?yàn)殛柟鈺目諝庵猩⑸涑鰜恚ㄔ趦蓚€量子衛(wèi)星之間可能不是問題）。總之，QUESS團(tuán)隊(duì)聲稱能夠在每秒建立一個糾纏對?？紤]到所有的事情，這真是一個令人印象深刻的難得的吹噓的權(quán)利。這構(gòu)成了"吹噓"（QUESS團(tuán)隊(duì)關(guān)于這個問題的官方論文）。

即使身處嘈雜的通道中，很多光子丟失，其他許多光子的狀態(tài)也被他們的行程所擾亂，但一個可靠的量子通道仍然是可能存在的。我們可以提煉量子糾纏，將許多弱糾纏對變成更少的強(qiáng)糾纏對。你可以把這想成是重復(fù)一個數(shù)字信息，讓數(shù)字信息通過一個嘈雜的信道。發(fā)送信號需要更多的時間，但結(jié)果是一個比任何一個單獨(dú)的嘗試更清晰的信息。一旦雙方建立了糾纏，一個量子狀態(tài)可以在雙方之間傳送，包括與其他東西糾纏的狀態(tài)。這樣，A-B和B-C之間的兩個糾纏對就可以變成A-C之間的一個糾纏對。有了 "量子中繼器"，我們可以通過拼湊許多短的、可能是嘈雜的通道來建立巨大距離的量子通道。重點(diǎn)是：盡管量子態(tài)是完美且精致的，但我們不需要完美的精致來處理她們。

在電報(bào)的黃金時代，我們可以把信息（比特）發(fā)送到任何地方，只是當(dāng)她們到達(dá)那里時，我們不能對她們做太多的事情。我們正在進(jìn)入一個類似的（但可能要短得多）的量子信息時代。

量子信息技術(shù)仍處于起步階段。我們現(xiàn)在的情況類似于電報(bào)和摩斯密碼的時代，可以通過長距離發(fā)送量子比特，一次發(fā)送幾個，但我們在兩端沒有計(jì)算機(jī)能夠?qū)@些量子比特做什么。盡管有這個巨大的缺陷，但有一些殺手級的應(yīng)用可能會推動這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。尤其是量子密碼學(xué)。

撇開細(xì)節(jié)不談，量子加密可歸結(jié)為：

1）分布大量成對的糾纏粒子

2）以相同的方式測量每一對

3）記錄下結(jié)果

不涉及量子計(jì)算，最大糾纏對的決定性特征是，對糾纏對的測量是完全相關(guān)的，并且本質(zhì)上是隨機(jī)的。任何攔截糾纏粒子的人/物都會打破（或至少削弱）糾纏，因此可以檢測到竊聽行為。對于外面的密碼學(xué)家來說，量子密碼學(xué)是一種創(chuàng)建共享隨機(jī)秘密的方法，對中間人攻擊強(qiáng)烈（或者至少可以檢測到這種企圖）。你和其他人創(chuàng)建一個只有你們兩個人可能知道的隨機(jī)數(shù)，這讓你可以對任何信息進(jìn)行加密并發(fā)送（例如通過電子郵件），物理規(guī)則可以保證信息的安全性。

量子密碼學(xué)：用基礎(chǔ)物理學(xué)來分享和保護(hù)秘密!

令人震驚的是，很多具有空間探索能力的政府都對此感興趣，因此Micius不太可能是最后一顆量子通信衛(wèi)星。

只是作為一個簡短的旁白，因?yàn)樗?jīng)常沒有被清楚地說明：量子傳送并不涉及任何意義上的實(shí)際傳送。實(shí)際上沒有東西進(jìn)入到從一個量子系統(tǒng)到另一個量子系統(tǒng)的旅程。在量子信息理論領(lǐng)域有一對定理說，如果你和其他人共享一對糾纏粒子（有時稱為"ebit"），那么以糾纏為代價(jià)，應(yīng)用一些可愛的技巧，你可以。

1)發(fā)送2個比特來傳遞一個量子比特

2)發(fā)送1個量子比特來傳遞2個比特

第一個程序被稱為"遠(yuǎn)程傳輸"，第二個被稱為"超密集編碼"。其中一個是可怕的、誤導(dǎo)性的名字，另一個是"超密集編碼"。

BY: Physicist

FY:四二

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