“墨子號(hào)”上天都要干啥？

虞駿++張文卓

它將第一次在太空中實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)也最安全的信息傳送手段——量子通信；這不但是未來(lái)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)的先驅(qū)，甚至還有助于進(jìn)一步驗(yàn)證量子理論自身的完備性。

這條征途沒(méi)有盡頭。好在這一回，中國(guó)站在了最前面。

115年前，馬可尼發(fā)出第一個(gè)越洋無(wú)線電信號(hào)的那一天，什么都沒(méi)有改變。沒(méi)有人能預(yù)計(jì)到接下來(lái)一百年間通信會(huì)把這個(gè)世界變成什么樣子——但每一個(gè)在場(chǎng)的人都知道，世界一定會(huì)因此而改變。

今天，我們站在了和他們一樣的位置上。

墨子可能是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)光沿直線傳播的中國(guó)人，而“墨子號(hào)”則可能改變我們世界中信息傳播的方式。它將第一次在太空中實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)也最安全的信息傳送手段——量子通信；這不但是未來(lái)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)的先驅(qū)，甚至還有助于進(jìn)一步驗(yàn)證量子理論自身的完備性。而這一切，都是在數(shù)學(xué)上最可怕問(wèn)題的背景之下升空的。

一道最可怕的數(shù)學(xué)題

要問(wèn)世界上最可怕的數(shù)學(xué)題是什么，那答案只能有一個(gè)：P 是否等于 NP。更確切地說(shuō)，是萬(wàn)一P=NP了，我們?cè)撛趺崔k。

這四個(gè)看似人畜無(wú)害的字符是所有密碼學(xué)家最大的噩夢(mèng)。它的意思可以簡(jiǎn)單表述為：“對(duì)于某些問(wèn)題，求出它的解將和驗(yàn)證一個(gè)解對(duì)不對(duì)同樣容易?！睂?duì)很多問(wèn)題，這是好事。但對(duì)密碼學(xué)，它卻動(dòng)搖了現(xiàn)實(shí)中使用的幾乎所有密碼體系的根基——它們的算法的基本原則就是“驗(yàn)證密碼容易，找到密碼難”。大部分?jǐn)?shù)學(xué)家“覺(jué)得”P(pán)≠NP，但還沒(méi)人能證明——而萬(wàn)一P=NP，那么這些密碼體系就通通完蛋了，現(xiàn)有的一切隱私和安全都土崩瓦解，我們將進(jìn)入一個(gè)一切都透明、又一切都不能相信的新時(shí)代——除非，在此之前我們抓緊時(shí)間將僅有的幾種能抵御P=NP的加密系統(tǒng)完善并投入應(yīng)用。這其中最有希望的路之一，就是量子密鑰分配的一次一密體系。

而2016年8月16日，我們?cè)谶@條路上邁出了至關(guān)重要的一步。要理解這一步，必須先知道我們現(xiàn)在的加密體系面臨著什么問(wèn)題。

我有一條信息，只想讓你看見(jiàn)

從古代的飛鴿傳書(shū)和烽火傳訊，到現(xiàn)代的無(wú)線電話和互聯(lián)網(wǎng)，技術(shù)雖然已經(jīng)面目全非，但就本質(zhì)而言，通信從來(lái)就沒(méi)有發(fā)生過(guò)變化。所有的通信，都可以還原成再簡(jiǎn)單不過(guò)的一個(gè)場(chǎng)景：場(chǎng)景中有兩個(gè)人，分別是發(fā)送者A和接收者B，而所謂的通信，就是A將信息傳遞給B的過(guò)程。

只可惜，在通信的世界里，從來(lái)不只有A和B，還存在無(wú)數(shù)個(gè)C——他們本來(lái)不該是通信的參與者，卻可能對(duì)A傳遞給B的信息特別感興趣，于是想方設(shè)法試圖截獲通信內(nèi)容。如果我有一條只想讓你看到的信息，那么如何確保信息不被第三方偷聽(tīng)就是個(gè)非常重要的問(wèn)題。然而，對(duì)于經(jīng)典通信方式來(lái)說(shuō)，完全杜絕竊聽(tīng)是做不到的。

那么，至少讓竊聽(tīng)者費(fèi)一番功夫？答案當(dāng)然就是加密了：給原始消息“打碼”之后，讓接收方“解碼”。加密技術(shù)多種多樣，但大部分都不完全可靠。它們只是“很難破解”，而不是“不可破解”。

對(duì)于日常生活中幾乎所有應(yīng)用，“很難”就已經(jīng)足夠了——如果我的密碼需要一百萬(wàn)年才能破出來(lái)，那跟無(wú)法破解也沒(méi)啥區(qū)別；可是如果P=NP，那么這些難題就都一下子變成了簡(jiǎn)單題。就算沒(méi)有這個(gè)數(shù)學(xué)上的困難，未來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展——比如量子計(jì)算機(jī)——也能讓一大片目前常用的加密算法從很難變得不那么難。

好在有些加密法真的就是理論上不可能破解的。這其中最著名的，就是“一次性密碼本”（one-time pad）；如果使用正確的話，理論上被證明是牢不可破的。舉例來(lái)說(shuō)，如果A要給B傳遞一串?dāng)?shù)字，20160816。在通信前，他們先隨機(jī)生成一個(gè)密碼本，長(zhǎng)度至少與信息本身等長(zhǎng)——比如，隨機(jī)生成的密碼本為43857241，A和B人手一份。發(fā)送信息前，A使用密碼本里的密碼給每一位數(shù)字加密。方法可以很簡(jiǎn)單，每位數(shù)字都與密碼本上的對(duì)應(yīng)密碼相加，相加的結(jié)果僅保留個(gè)位即可。于是，A把原始信息加密成了63917057，并通過(guò)經(jīng)典通信方式發(fā)送出去。接收到加過(guò)密的數(shù)字后，B再使用同一個(gè)密碼本給每一位數(shù)字解密——每一位數(shù)字都與密碼本上的對(duì)應(yīng)密碼相減，相減的結(jié)果同樣只保留個(gè)位數(shù)字，不考慮正負(fù)號(hào)。這樣，B就還原出了原來(lái)的信息：20160816，通信完成。對(duì)于豎起耳朵偷聽(tīng)的C來(lái)說(shuō)，即使他在通信中截獲了63917057這串加密數(shù)字，由于手頭沒(méi)有A和B拿來(lái)加密和解密的密碼本，他便無(wú)法破解出A和B實(shí)際傳遞的信息。簡(jiǎn)直天衣無(wú)縫！

真的嗎？別忘了，一次性密碼本也是信息，它仍需要被分送到A和B的手中，讓他們?nèi)耸忠槐?，而且傳遞密碼本的通信過(guò)程必須嚴(yán)格保密，絕對(duì)不能被其他任何人竊聽(tīng)。

于是，問(wèn)題回到了原點(diǎn)。一方面，有了理論上“牢不可破”的加密方法，才能夠?qū)崿F(xiàn)完全保密的加密通信；而另一方面，必須要有能夠完全保密的通信方式，加密方法才能夠在理論上“牢不可破”。這樣一個(gè)死循環(huán)，在經(jīng)典通信方式中無(wú)解。

幸好，解開(kāi)這個(gè)死循環(huán)，實(shí)現(xiàn)真正安全的加密通信的方法，就藏在量子世界的神奇特性之中。

讓竊聽(tīng)者無(wú)所遁形

在我們熟悉的經(jīng)典世界里，事物的某一性質(zhì)，比如說(shuō)指針的方向，不論你采用什么方法去測(cè)量，得到的結(jié)果都應(yīng)該是一致的。這個(gè)世界里，信息可以用二進(jìn)制的“經(jīng)典比特”來(lái)表示，任意時(shí)刻一個(gè)比特只有兩種特定的狀態(tài)，要么是0，要么是1。但在量子世界里，事情就完全不是這樣了。

1984年，查理斯·本內(nèi)特（Charles Bennett）和吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）想出了 “量子密鑰分配方案”，這種方法被稱為BB84協(xié)議。由于BB84協(xié)議可以有效發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)，從而關(guān)閉通信，或者重新分配密鑰，直到?jīng)]人竊聽(tīng)為止，所以分配到A和B手中的一次性密碼本，就成為了一種“牢不可破”的加密手段，能夠給經(jīng)典通信加密，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完全保密的加密通信。在這個(gè)協(xié)議基礎(chǔ)上，世界各國(guó)都開(kāi)展了傳輸用量子密鑰加密過(guò)的二進(jìn)制信息的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，即量子保密通信網(wǎng)。中國(guó)在這方面走在了世界最前面。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉團(tuán)隊(duì)，在合肥市實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)所有節(jié)點(diǎn)都互通的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，后來(lái)又利用該成果為60周年國(guó)慶閱兵關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建了“量子通信熱線”。

然而，發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標(biāo)，是構(gòu)建廣域乃至全球范圍內(nèi)絕對(duì)安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。而想建設(shè)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，必須依賴多顆量子通信衛(wèi)星?！澳犹?hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，就是未來(lái)一系列量子通信衛(wèi)星的探路者。

“墨子號(hào)”的重要科學(xué)目標(biāo)之一，就是在衛(wèi)星和地面之間進(jìn)行高速量子密鑰分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破。它將在衛(wèi)星與地面之間展開(kāi)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，甚至將在北京和維也納之間嘗試超遠(yuǎn)距離的洲際量子密鑰分發(fā)。它還將嘗試與地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)鏈接，為未來(lái)覆蓋全球的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)建立技術(shù)基礎(chǔ)。

量子隱形傳態(tài)：真正意義上的量子通信

盡管“量子密鑰分配”能為經(jīng)典比特的傳輸建立牢不可破的保密通信，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，它傳遞的并不是真正的量子比特。在量子通信中還有另一個(gè)被稱為“量子隱形傳態(tài)”的方向，能利用量子糾纏來(lái)直接傳輸量子比特——那才是真正意義上的量子通信方式。

量子力學(xué)中最神秘的就是疊加態(tài)，而“量子糾纏”正是多粒子的一種疊加態(tài)。

片密系統(tǒng)完善并投入應(yīng)用。這其中最有希望的路線 如果用薛定諤的貓做比喻，即A和B兩只貓如果形成上面的糾纏態(tài)：那么無(wú)論兩只貓相距多遠(yuǎn)，即便在宇宙的兩端，當(dāng)A貓是“死”的時(shí)候，B貓必然是“活”；當(dāng)A貓是“活”的時(shí)候，B貓一定是“死”。（當(dāng)然真實(shí)的情況是，貓這種宏觀物體不可能把量子糾纏維持這么長(zhǎng)時(shí)間，幾億億億億分之一秒內(nèi)就會(huì)解除糾纏。但基本粒子是可以的，比如光子。）

這種跨越空間瞬間影響雙方的量子糾纏，曾經(jīng)被愛(ài)因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance），并以此來(lái)質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性，因?yàn)檫@個(gè)超距作用違反了他提出的“定域性”原理，即任何空間上相互影響的速度都不能超過(guò)光速。這就是著名的“EPR佯謬”。

后來(lái)物理學(xué)家玻姆在愛(ài)因斯坦的定域性原理基礎(chǔ)上，提出了“隱變量理論”來(lái)解釋這種超距相互作用。不久物理學(xué)家貝爾提出了一個(gè)不等式，可以來(lái)判定量子力學(xué)和隱變量理論誰(shuí)正確。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合貝爾不等式，則隱變量理論勝出。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反了貝爾不等式，則量子力學(xué)勝出。

但是，隨后的一次又一次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都違反了貝爾不等式，證實(shí)了量子力學(xué)才是對(duì)的，愛(ài)因斯坦的定域性原理必須被舍棄。2015年，荷蘭物理學(xué)家做的最新無(wú)漏洞貝爾不等式測(cè)量實(shí)驗(yàn)，基本宣告了定域性原理的死刑。

因?yàn)檫@神奇的量子糾纏是非局域的，兩個(gè)糾纏的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，必然能同時(shí)獲得另一個(gè)粒子的狀態(tài)，而這個(gè)“信息”的獲取又不受光速限制，物理學(xué)家自然想到，能否利用這種跨越空間的糾纏態(tài)進(jìn)行信息傳輸？于是，基于量子糾纏態(tài)的量子通信應(yīng)運(yùn)而生，這種試圖通過(guò)跨越空間的量子糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特的傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，被稱為“量子隱形傳態(tài)”。

利用上面這個(gè)過(guò)程，就可以通過(guò)量子糾纏，把一個(gè)量子比特?zé)o損地從一個(gè)地點(diǎn)傳送到另一個(gè)地點(diǎn)。這也是量子通信目前最主要的方式。需要指出的是，由于步驟3通過(guò)經(jīng)典通信方式傳遞信息不可忽略，因此也就限制了整個(gè)量子隱形傳態(tài)的速度，導(dǎo)致量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速度實(shí)際上無(wú)法超過(guò)光速。

量子計(jì)算需要直接處理量子比特，“量子隱形傳態(tài)”這種直接傳遞量子比特的傳輸，將成為未來(lái)量子計(jì)算之間的量子通信方式。量子隱形傳態(tài)和量子計(jì)算機(jī)終端，未來(lái)可以構(gòu)成純粹的量子信息傳輸和處理系統(tǒng)，也就是真正意義上的量子互聯(lián)網(wǎng)。這將是未來(lái)量子信息時(shí)代最顯著的標(biāo)志。

在量子糾纏和量子隱形傳態(tài)領(lǐng)域，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星同樣肩負(fù)著重要的科學(xué)目標(biāo)，那就是在空間尺度上通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)量子力學(xué)本身的完備性。這個(gè)科學(xué)目標(biāo)，在身為量子物理學(xué)家的首席科學(xué)家潘建偉院士看來(lái)，或許比建立天地一體化的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)得更顯誘人。

目前已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)證明了量子力學(xué)的糾纏態(tài)，但在長(zhǎng)距離大范圍條件下進(jìn)行上千千米量級(jí)的量子糾纏態(tài)觀測(cè)，還從來(lái)沒(méi)有人實(shí)現(xiàn)過(guò)。“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上攜帶著量子糾纏光源，可以從太空同時(shí)向兩個(gè)地面站分發(fā)糾纏光子。完成量子糾纏分發(fā)之后，再對(duì)地面站的兩個(gè)糾纏光子同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的貝爾態(tài)測(cè)量，便可以在超過(guò)上千千米的距離上對(duì)貝爾不等式是否成立進(jìn)行檢驗(yàn)。

不僅如此，科學(xué)家還將利用“墨子號(hào)”衛(wèi)星，通過(guò)量子隱形傳態(tài)的方式，將微觀量子態(tài)直接從地面?zhèn)魉偷教罩腥?。盡管傳送的只是量子態(tài)而非粒子本身，并且這種量子通信方式也不可能超越光速，但至少?gòu)哪撤N意義上，地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)將實(shí)現(xiàn)科幻小說(shuō)里經(jīng)常出現(xiàn)一種進(jìn)入太空的方式——直接傳送上去。

“墨子號(hào)”：將科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)

對(duì)于這些針對(duì)量子力學(xué)有效性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，美國(guó)麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授Vladan Vuletic是這樣評(píng)價(jià)的：“量子力學(xué)走到今天，已經(jīng)在很多不同的環(huán)境和體系下被檢驗(yàn)過(guò)多次，幾乎不會(huì)有人真的以為，在延伸到太空甚至更遠(yuǎn)的距離上，量子力學(xué)本身就會(huì)不再有效。不過(guò)，這一點(diǎn)如果能夠經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的話，當(dāng)然更好?！?/p>

“從個(gè)人而言，我并不指望衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪探o我們?nèi)魏挝覀兩胁涣私獾牧孔恿W(xué)和有關(guān)量子奇特性質(zhì)的知識(shí)。然而，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目卻有著非常重大的意義，它將會(huì)把科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)：如果實(shí)驗(yàn)成功，它將有可能建立比經(jīng)典物理學(xué)更強(qiáng)有力的地面系統(tǒng)與空間系統(tǒng)鏈接。然后，這種鏈接可以在實(shí)際上用于安全的信息交流。因此，愛(ài)因斯坦對(duì)量子物理學(xué)的反對(duì)就會(huì)轉(zhuǎn)變成一種交流工具，這將是一個(gè)非常激動(dòng)人心的進(jìn)展。”

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星只是一個(gè)開(kāi)始。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，“要實(shí)現(xiàn)全球化量子通信，還需要長(zhǎng)期的努力，特別是需要多顆衛(wèi)星的組網(wǎng)”，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)副總師、中國(guó)科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員彭承志表示。

這條征途沒(méi)有盡頭。好在這一回，中國(guó)站在了最前面。

什么是“量子”？

它和“原子”、“電子”、“中子”這些客觀存在的粒子不同，“量子”不是一種粒子，在物理學(xué)中提到“量子”時(shí)，我們實(shí)際上指的是微觀世界的一種行為傾向：物質(zhì)或者說(shuō)粒子的能量和其他一些性質(zhì)（統(tǒng)稱為可觀測(cè)物理量）都傾向于不連續(xù)地變化。

例如，我們說(shuō)一個(gè)“光量子”，是因?yàn)橐粋€(gè)光量子的能量是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一份一份地變化的。其他的粒子情況也是類似的，例如，在沒(méi)有被電離的原子中，繞核運(yùn)動(dòng)的電子的能量是“量子化”的，也就是說(shuō)電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣，原子才能穩(wěn)定存在，我們才能解釋原子輻射的光譜。不僅能量，對(duì)于原子中的電子，角動(dòng)量也不再是連續(xù)變化的。

量子通信

廣義地說(shuō)，量子通信是指把量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，它的內(nèi)容包含量子隱形傳態(tài)，量子糾纏交換和量子密鑰分配。

狹義地說(shuō)，我們談到量子通信時(shí)，實(shí)際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信。