从“墨子号”到“济南一号”软件开发资讯，量子通讯卫星的班师放射，让看似微妙莫测的量子通讯走进了公众视线。量子通讯如何为通讯安全“添砖加瓦”？改日量子通讯将如何改换每一个东谈主的生存？
本文把柄任继刚考验、曹原考验、王一考验2024年8月3日在墨子沙龙的对谈“量子通讯将如何改换咱们的生存”整理而成。
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光子的产生和探伤
王一：信息的传递王人需要绪论。在古代，这种绪论被称为信使。到当代，咱们运转用无线电波来传递信息。那改日，东谈主类是否有更历害的通讯技能呢？谜底是有的，咱们不错让无线电波，即电磁的飘摇。淌若飘摇合手续衰减到简直无法检测的进程，表面上不错认为它接近电磁波的量子化的基本构成单位，即光子。光子是改日量子通讯的蹙迫绪论，科学家们通过放射和继承一个个的光子来传递信息。那么单个的光子是若何产生的？又将如何探伤单个的光子呢？
曹原：经过最近二三十年的发展，东谈主类对单光子的探伤照旧不错作念到尽头好。图片中呈现的是径直用相机拍到的，咱们用非线性光学的主意来产生纠缠光子的图像，基本上是每秒钟10^6个独揽的光子酿成的两个环，这种非线性光学的主意会将两个环中间交叉的部分集聚进来，成为实验中可用的纠缠光子对。纠缠光子对被集聚后，需要分离为一个个光子。
光子的探伤，则是用另一种探伤器——雪崩二极管，行使其滴水穿石，不错把轻细的光电充军大成不错被探伤到的进程。用这种单光子的探伤器就不错把一个个的光子探伤出来。现如今，东谈主类对单光子的探伤效力，也叫量子效力，不错接近百分之百。
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量子通讯与量子纠缠的关系
王一：寰球对纠缠倨傲王人很敬爱，那么量子纠缠和量子通讯二者间是什么关系呢？
任继刚：量子通讯的载体是光子，而纠缠光子是量子力学预言的一种极度光子对，无法分离。一双光子取自两环的交点处，无法分辨上头的光子来自左边的环如故右边的环。不去探伤时，它处于不成分辨的情景。
量子纠缠应用庸俗。用于量子通讯时，不错完结如逃匿安全通讯。除此除外，更蹙迫的是行使量子纠缠传递区别于经典情景的光子，访佛于量子隐形传态。天然，量子通讯也不一定要用纠缠光子，也不错用单光子源。不管是这种弱联系光如故纠缠光子，唯有将信息加载在它上头进行相关的调制解调，才气进行信息传递。
王一：在我国量子领域内，不管是量子信息、产生量子纠缠等各方面王人处于寰宇首先情景。其中一个尽头蹙迫的后果便是“墨子号”的实验卫星，那么在“墨子号”中量子通讯用的是哪种光子呢？
曹原：在“墨子号”的量子通讯中，即量子密钥分发任务上，两种光源——单光子源和纠缠光源，均有应用。
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量子通讯能超过光速吗？
王一：好多一又友王人看过科幻演义《三体》，其中通过所谓的量子感应，在三体东谈主的星球可完结瞬时监控地球上发生的事。那么量子通讯能否完结瞬时的、超光速的信息传递呢？
任继刚：现存的物理学体系如故撑合手光速最大，莫得确切超光速的信息传递。量子纠缠中的两个光子在数学上的塌缩莫得时候隔断，也便是说，一个光子改换了，另一个光子就瞬时改换。
量子的寰宇有一定的飞速性。因为存在这种飞速性，咱们无法细目传递的是什么态，比如量子隐形传态。把一个待传送的情景和留在土产货的纠缠光子进行一个操作，那么处在另一边的纠缠光子顷刻间改换，飞速地变到最浅显四个情景的其中一个，具体哪个情景不知所以，但这四个情景是关联的，需要借助光速进行传递，来告诉那边的测量收尾是哪种收尾。但这四个收尾并不包含要传递信息的任何内容，但把柄这个收尾，不错把情景规复过来。
王一：比如A有一个光子，B有一个光子，它们相互纠缠。淌若A测量了光子，自旋朝上，另一边势必向下，但无法用它来传递信息，因为A无法适度测量时朝上或是向下，比如A念念告诉B三体星球的股票涨了，念念让B看到一个朝上的箭头，那么A必须测到一个向下的箭头，但A无法适度我方测到朝上如故向下的箭头，因此即使关联不受光速的限制，也无法通过这么的一个量子关联去传递诸如股票涨跌这种平淡意旨上的信息。
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量子通讯的蹙迫性
王一：既然三体中的瞬时通讯无法完结，仅仅一份好意思好的科学幻念念，那么咱们为什么还要发展量子通讯？量子通讯的蹙迫性又体当今那里？
任继刚：量子科技更多的筹商量子诡计、量子精密测量等大领域，而量子通讯自身有部天职容与推行生存关系，比如用量子的旨趣保证密码分发的安全性。也便是说，在两个正当用户之间分发密码本时，是不成能被其他东谈主窃听的。这关于信息安全领域十分蹙迫。
曹原：量子诡计提供了一种普及算力的可能性，其中最主要的应用是Shor算法。Shor算法是现时为止最班师的量子诡估量法，其最主要的策动是破解当今公钥体系的基础。淌若一个能够运行Shor算法的量子诡计机面世，那么现阶段扫数的公钥体系王人将变成纸老虎。因此，在其未出生时念念方设法从根蒂上惩办量子诡计的逼迫，这便是量子通讯的蹙迫性。量子诡计每一次冲突性的发达王人愈加强项了东谈主类发展量子通讯的必要性。某种进程上，大天然赐与咱们一杆泼辣的矛，即量子诡计，不错攻克当今的密钥，但同期也赐与咱们提神它最佳的盾——量子通讯。
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强颜欢笑的科研生存
王一：量子力学和日常生存中的训戒尽头不一样，听起来让东谈主很勾引。那么科学家在内容作念科研的时候是勾引的如故应承的，如故两者的重复态，具体是什么样的感受呢？
任继刚：作念通讯的策动是为了把信息传得更远，是以咱们和传统意旨上在实验室中作念实验的科学家不太一样。
十年前，卫星放射如故一个奢华的事情，为确保所放射的卫星正常责任，需要行使多半的大地模拟实验进行考证。假定卫星要完结一千公里，不成能在实验室内作念一两米的实验来阐发卫星改日的可行性，至少需要从十几公里外进行模拟实验。咱们最远作念到百公里。百公里处所的中式也需要仔细考量，因为光是直线传播的，谈判到地球曲率和中间窒碍的问题，实验必须找一些合乎的处所。
最终，作念百公里外场考证遴荐的是我国最大的咸水湖——青海湖，图片是咱们在青海湖实验时期的相片。青海湖湖面平坦，地球曲率在百公里无窒碍，天气好，倨傲好，但相对比拟珍贵，东谈主类漂后还莫得过多稠浊。
另外一张相片是在湖中心小岛作念纠缠分发，需要把纠缠光子分开一百公里再探伤，咱们把产生纠缠源的树立放在青海湖湖中心小岛上，一个光子往北发，一个光子往南，到两岸差未几一百公里。通过这个实考阐发了光子即使分开一百公里，依然保合手着远距离的互动，这么淌若将纠缠光子放到卫星上，一个发到青海德令哈，一个发到云南丽江，一千两百公里，咱们也能够很好地收到它，况兼考证这种远距离的互动到底还存不存在。这相配于“墨子号”卫星上天前的时代考证，考证了这个时代是不错班师放到卫星上的。
▲ 在湖中心小岛的生存
任继刚：这两张图片是在西藏阿里作念实验的相片，咱们遴荐了海拔五千一百米的站点，通往站点的路其实是挖掘机挖出来的，把大地挖一下，再把它压平，那段路唯有挖掘机或四驱越野车不错上去，咱们只好把树立放在挖掘机的斗内部，让它缓缓地往前挪，实验东谈主员在边上扶着树立，三公里独揽的距离，海拔五千多米的站点，简略走了半天的时候，软件开发公司才把树立安全地运到站点。
这张相片是咱们在青海湖的湖中心小岛上作念实验，阿谁岛不合搭客绽开，岛上莫得水，也莫得电，是个荒岛。 岛上有一个藏传释教的尼姑庵，有一些僧东谈主在上头，咱们那时住在僧侣的客房，这张图片便是咱们每天到山眼下的井吊水用。因为咱们每十天运上来的矿泉水是要拿来喝的，日常用水就靠东谈主力去在山眼下背湖边的井水。
这两张相片是在西藏阿里站装树立，西北地区基本上9月份就运转下雪，而青海湖实验周期是9月份到11月份，团队仅仅在山顶上搭了一个帐篷，有一次下大雪，积雪太厚容易将帐篷压塌，咱们就只可三班倒，拿铁锹站在帐篷边，平淡铲雪来保证树立安全。
回忆起阿谁时候，咱们简略二十多岁，尽管相片中看上去尽头珍贵，但咱们却以为是一段很真义的经验，频频回忆，念念起来的王人是在山上的趣事。
app开发2010年的时候，山上莫得信号又要称心上网的需求，咱们就在山顶和岸边架了一个无线网桥，搭起局域网，让岸边的东谈主拿札记本电脑，插上无线网卡，通过无线网桥再把信号传递到岛上，用邮件或者qq来了解一下外面的寰宇，以至不错局域网组队打打游戏，挺好玩的，科技的力量是无所不在的。
王一：科研东谈主员也不是寰球念念象的，一天到晚伏案推公式，或者一天王人面临的确验仪器，还有好多其他真义的生存。这张相片尽头漂亮，像星空一样，能为咱们考验一下吗？
任继刚：科研之余，科研东谈主员会拍拍星空。这张相片是行使地球自转拍摄的星轨图，图中的绿光是卫星发出的信号光，用于开导其在太空中的位置。而红光则是大地放射的信标光，用来向卫星开导大地的具体位置。通过双向探伤，不错细目大地和卫星的连线，把很窄的光发送到卫星，再发送下来。
这张相片中的气球亦然在青海湖作念的实验，那时是第一次作念卫星，为了确保实验的准确性，咱们作念了绝裁夺的模拟，比如卫星相对大地会高速默契，这个默契若何模拟？咱们尝试了多种顺次来模拟这种高速默契，包括使用转台、皮卡车，以至动用了大型吊车、热气球来模拟卫星在不同条目下的动态环境。
与大地实验不同，卫星一朝放射起飞，就莫得契机进行修正。因此，咱们必须在大地上充分谈判扫数可能的情况，扼杀一切潜在的风险，确保卫星的班师放射和运行。
王一：这张图片是咱们的优秀团队吧，能先容一下吗？
曹原：中间的女生是印娟敦厚，是咱们团队最优秀的女科学家。在五千一百米的珍贵条目下，也有女生的身影。
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量子通讯学术之路
王一：计划量子科学苦中有乐，科学家是如何踏上这条谈路的，学术上的成长历程又是若何的呢？
任继刚：走上物理这条谈路很神奇，因为语文不好，高三时我花了多半时候去刷语文题目，1996年，在作念阅读交融时我看到了一篇著作——《光脑》。那时电子诡计机还不普及，但著作中说21世纪光可能会取代电子行为诡计的载体。那时我行为学生以为尽头神奇。大学时的第一个方式是作念激光器的探伤，作念了一个光束分析仪。大二时期投入光学实验室，运转作念激光器方面的计划。到博士期间，我运转作念冷原子物理，但因为2003年非典等多样种种的原因导致这个方式作念得尽头不班师。
2004年独揽，我在一段迷濛的历程中，很庆幸遭遇了潘建伟院士，带我走上了量子通讯谈路。因为咱们王人是学光学的，他赶巧需要东谈主手，我就夙昔建实验室，作念外场实验。简略从2005年到2007年，用两年的时候把第一个实验，在长城作念的十六公里量子引擎作念出来。毕业时潘敦厚说咱们要作念卫星，就接续作念了。一直作念到当今第一颗卫星作念完，踏实运行了快八年，第二颗卫星也在作念。
曹原:我的经验和书有很大关系。上初、高中时，我就对物理感意思意思，零散念念从事物理领域的责任。最主要的发蒙是两本书，一册是《吴健雄传》，一册是《费曼传》。那时诚然莫得构兵过像量子力学、量子场论等高妙的东西，可是通过读这些列传，我感受到科学家的责任经验，那时就埋下了物理的种子，之后一直朝着这个标的长途，其后加入了“墨子号”团队。很庆幸，这些科学家成为我心目中的偶像，是以我一直朝着这个标的去长途。
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改日的量子卫星
王一：第一颗“墨子号”量子卫星好多一又友王人知谈，那么下一代卫星会有什么令东谈主期待的后果吗？
任继刚：“墨子号”主要作念量子，一个是量子密钥分发，另一个咱们比拟眷注的是基础物理方面，比如量子纠缠是不是确切的存在？量子预言可能无视距离，是不是果然无视距离？从十公里、百公里到千公里，新一代的“墨子号”可能这两个方面要接续作念下去。
作念通讯可能冲突“墨子号”现时的一些限制，把纠缠试验从千公里拓展到万公里，差未几地球模范。
其他更眷注的是，量子通讯的时代应用到更基础科学的领域中去，比如更高精度的钟，用光作念钟，当今的频率程序是原子钟，将更高精度的钟搬到天上去，期待用它去作念一些更基础的物理，比如导航或者是对秒的界说王人可能会用到。“墨子号”是个科学卫星，关于科学家来讲，更眷注的如故基础物理试验，弄清基础物理的中枢问题。
王一：当改日这些量子时代大边界的应用后，咱们的生存会变成什么方式？
曹原：当今量子通讯照旧具备应用条目，咱们生存中当今照旧有一些相关的家具，比如量子耳机。量子耳机生成密钥，用密钥来加密通过耳机说的话，唯有有相通树立的东谈主才气赢得具体内容。
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如何更好地向大众传播量子科学？
王一：量子并不远方，在改日不管是在安全领域，如故像量子诡计等其他应用，将会改换咱们的生存。诚然量子耳机让咱们对改日充满念念象，但市面上也有一些打着量子旗子的家具，有时靠谱。比如“量子水”、“量子鞋垫”，若何去让寰球更好地分辨真伪，如何向寰球传播量子科学呢？
任继刚：一方面需要科学家更多地为寰球科普相关学问。另一方面，现时量子时代大部分处于实验室的考证阶段，只可作念一些科学家更感意思意思的事情。淌若你发现给你先容的所谓打着“量子”旗子的家具，是与你生存祸福相依的、布帛菽粟方面的，但愿寰球对此能多留个心眼。
本文转载自《墨子沙龙》微信公众号
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