《物理學家》：這不是任何人都會問的問題，只是興趣的延伸

幾周前，QUESS（空間尺度量子實驗）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行傳送。這無疑是令人興奮的，因為她證明了簡易（低價）、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鍵。Micius是全球規模的量子基礎設施的第一個不穩定性支柱。

興隆的激光器與世界上第一顆"量子衛星"Micius對話的延時攝影。

糾纏態基本上是相關和疊加的組合。比特和量子比特的區別在于，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；每種偏振對應到每雙眼都是電影的呈現）。

光的偏振可以指向任何方向（垂直于行進方向），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。測量之中，她們總是處于一種狀態或另一種狀態（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。

雖然不可能確定結果，但當你看到"0"或"1"的概率是由狀態描述的（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，她們的隨機結果將是相關的。對于最簡單的一種糾纏狀態，|Phi^+angle，結果是一樣的。如果兩個光子處于共享狀態如|Phi^+rangle，你發現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，但彼此都是一樣的。不幸的是，實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的粒子。

這篇關于糾纏的討論將涉及到更多細節。

如何得到相隔數千公里的糾纏粒子的？仔細閱讀下文。

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

如果兩個相距甚遠的各方共享一對糾纏的粒子，他們就可以開始做一些相當了不起的事情。其中之一就是能夠從一個粒子向其糾纏的孿生粒子發送量子比特，所謂"量子遠程傳輸"。量子傳送需要一對糾纏的粒子和一個"經典通信渠道"（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，A，以及兩個共享糾纏狀態的粒子，B和C。

中部：測量A和B的一些相對屬性，并將結果發送給擁有另一個糾纏粒子的人。基于這些信息，另一個糾纏粒子被控制。

底部：這將導致糾纏被破壞，但C承擔了A的原始狀態。

Qubits（一般的量子態）是極其微妙的。任何能夠讓任何東西確定其狀態的相互作用都會使該狀態"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有關的優勢都會消失。因此，遠程傳輸需要測量要發送的量子比特A，但不需要實際確定關于她的任何東西，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進行比較，但并不直接測量其中任何一個。假設你知道兩枚硬幣有相同或相反的情況，那么你就相當于了解到了關于這兩枚硬幣的一些情況，但其實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，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，而這一切都不需要實際了解那個狀態是什么。即使假設C在我國的遠方，你也可以直接告訴擁有她的人測試的結果是什么。對于硬幣/常規比特，你只需要發送一個比特的信息——比較的結果是"相同"或"不同"。而量子比特，你需要發送兩個比特，因為量子力學是十分復雜的。下面將會講到有關于量子傳送如何工作的更多細節。

物理學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（因為沒有人憑直覺建造和發射航天器）。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律的問題，只是繞過了（很多）工程上的困難。用房間兩邊的設備進行瞬移是很容易的。這里的區別是，"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。

量子狀態是微妙的，所以我們得能夠捕捉、操縱和準確測量單個光子的狀態，并將干擾降到最低。假設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薄）。所以直上傳送應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。空間的問題涉及距離：東西離得越遠，目標就越小。在兩個地點之間建立糾纏，需要在一個地點創造一對糾纏的粒子，然后將其中的一個發送到另一個地點。QUESS設法捕捉到大約每600萬個光子對中的一個，而且她在白天不工作，因為陽光會從空氣中散射出來（在兩個量子衛星之間可能不是問題）。總之，QUESS團隊聲稱能夠在每秒建立一個糾纏對。考慮到所有的事情，這真是一個令人印象深刻的難得的吹噓的權利。這構成了"吹噓"（QUESS團隊關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糾纏對。你可以把這想成是重復一個數字信息，讓數字信息通過一個嘈雜的信道。發送信號需要更多的時間，但結果是一個比任何一個單獨的嘗試更清晰的信息。一旦雙方建立了糾纏，一個量子狀態可以在雙方之間傳送，包括與其他東西糾纏的狀態。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。重點是：盡管量子態是完美且精致的，但我們不需要完美的精致來處理她們。

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

量子信息技術仍處于起步階段。我們現在的情況類似于電報和摩斯密碼的時代，可以通過長距離發送量子比特，一次發送幾個，但我們在兩端沒有計算機能夠對這些量子比特做什么。盡管有這個巨大的缺陷，但有一些殺手級的應用可能會推動這項技術的發展。尤其是量子密碼學。

撇開細節不談，量子加密可歸結為：

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）記錄下結果

不涉及量子計算，最大糾纏對的決定性特征是，對糾纏對的測量是完全相關的，并且本質上是隨機的。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。對于外面的密碼學家來說，量子密碼學是一種創建共享隨機秘密的方法，對中間人攻擊強烈（或者至少可以檢測到這種企圖）。你和其他人創建一個只有你們兩個人可能知道的隨機數，這讓你可以對任何信息進行加密并發送（例如通過電子郵件），物理規則可以保證信息的安全性。

量子密碼學：用基礎物理學來分享和保護秘密!

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星。

只是作為一個簡短的旁白，因為她經常沒有被清楚地說明：量子傳送并不涉及任何意義上的實際傳送。實際上沒有東西進入到從一個量子系統到另一個量子系統的旅程。在量子信息理論領域有一對定理說，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，應用一些可愛的技巧，你可以。

1)發送2個比特來傳遞一個量子比特

2)發送1個量子比特來傳遞2個比特

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

BY: Physicist

FY:四二

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