《物理學(xué)家》：這不是任何人就會(huì)問的問題，只是興趣的延展
幾周前，QUESS（空間尺度量子實(shí)驗(yàn)）開始將量子信息傳送到上，而且是在相距1200公里的地面站之間進(jìn)行傳送。這無疑是令人激動(dòng)的，由于它證明了簡(jiǎn)易（優(yōu)價(jià)）、高保真、長(zhǎng)距離量子糾纏的可行性，這恰是所有量子通訊的關(guān)鍵。是全球規(guī)模的量子基礎(chǔ)設(shè)施的第一個(gè)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"對(duì)話的延時(shí)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(shí)是1和0。一個(gè)量子比特可以有好多不同的方式（如同一個(gè)比特可以有好多方式一樣）：在這些情況下，常常使用光的偏振光。偏振光狀態(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(duì)于制做3D影片來說也是完美的；每種偏振光對(duì)應(yīng)到每眼睛都是影片的呈現(xiàn)）。
光的偏振光可以指向任何方向（垂直于行進(jìn)方向），所以它可以不止描述0或1，還可以描述二者的組合。
一個(gè)光子可以處于水平和垂直極化的疊加狀態(tài)。檢測(cè)之中，它們總是處于一種狀態(tài)或另一種狀態(tài)（0或1）。但在檢測(cè)之前，我們可以對(duì)量子比特做好多巧妙的事情。
似乎不可能確定結(jié)果，但當(dāng)你聽到"0"或"1"的機(jī)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）。糾纏粒子的奇特之處在于，只要你以同樣的方法檢測(cè)它們，它們的隨機(jī)結(jié)果將是相關(guān)的。對(duì)于最簡(jiǎn)單的一種糾纏狀態(tài)，|Phi^+angle，結(jié)果是一樣的。假如兩個(gè)光子處于共享狀態(tài)如|Phi^+，你發(fā)覺其中一個(gè)是垂直偏振光的量子傳輸速度，這么另一個(gè)也會(huì)是垂直偏振光的。
隨機(jī)，但彼此都是一樣的。不幸的是，實(shí)際上與任何一個(gè)粒子的任何互相作用就會(huì)打破糾纏，最終你將只剩下一對(duì)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)。
怎樣得到相隔數(shù)千公里的糾纏粒子的？仔細(xì)閱讀下文。
QUESS正在做的，正是"量子通訊"的全部?jī)?nèi)容，是讓兩個(gè)糾纏的粒子雖然相隔很遠(yuǎn)，也不會(huì)意外地破壞糾纏或遺失粒子（而當(dāng)它們從太空中被發(fā)射到你頭上時(shí)，這是很難的）。
假如兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的各方共享一對(duì)糾纏的粒子，她們就可以開始做一些相當(dāng)了不起的事情。其中之一就是能否從一個(gè)粒子向其糾纏的雙胞粒子發(fā)送量子比特，所謂"量子遠(yuǎn)程傳輸"。量子傳送須要一對(duì)糾纏的粒子和一個(gè)"精典通訊渠道"（這包括但不限于小聲大叫）。滿足這種條件，我們可以很容易地將一個(gè)量子比特，從一個(gè)地方"傳送"到另一個(gè)地方。
底部：一個(gè)你想傳送的狀態(tài)，A，以及兩個(gè)共享糾纏狀態(tài)的粒子，B和C。
中部：檢測(cè)A和B的一些相對(duì)屬性，并將結(jié)果發(fā)送給擁有另一個(gè)糾纏粒子的人。基于這種信息，另一個(gè)糾纏粒子被控制。
頂部：這將引起糾纏被破壞，但C承當(dāng)了A的原始狀態(tài)。
（通常的量子態(tài)）是非常微妙的。任何才能讓任何東西確定其狀態(tài)的互相作用就會(huì)使該狀態(tài)"塌縮"——一個(gè)量子比特從0和1弄成了0或1，而所有可能與該疊加狀態(tài)有關(guān)的優(yōu)勢(shì)就會(huì)消失。為此，遠(yuǎn)程傳輸須要檢測(cè)要發(fā)送的量子比特A，但不須要實(shí)際確定關(guān)于它的任何東西，這十分困難。解決這個(gè)問題的方式是做一個(gè)特殊的檢測(cè)，這些檢測(cè)要對(duì)A和B進(jìn)行比較，但并不直接檢測(cè)其中任何一個(gè)。假定你曉得兩枚硬幣有相同或相反的情況，這么你就相當(dāng)于了解到了關(guān)于這兩枚硬幣的一些情況，但似乎對(duì)它們中的任何一枚都沒有具體了解。
同樣的看法也適用于量子傳送。糾纏態(tài)的中心思想是，假如B和C是糾纏的，這么它們對(duì)檢測(cè)的反應(yīng)是相同的。為此，通過比較A和B并了解它們的不同之處，你也在了解A和C是怎么不同的。曉得了這一點(diǎn)，你就可以弄清楚須要對(duì)C做哪些來使其具有和A相同的狀態(tài)，而這一切都不須要實(shí)際了解那種狀態(tài)是哪些。雖然假定C在中國(guó)的遠(yuǎn)方，你也可以直接告訴擁有它的人測(cè)試的結(jié)果是哪些。對(duì)于硬幣/常規(guī)比特，你只須要發(fā)送一個(gè)比特的信息——比較的結(jié)果是"相同"或"不同"。而量子比特，你須要發(fā)送兩個(gè)比特，由于量子熱學(xué)是非常復(fù)雜的。下邊將會(huì)提到有關(guān)于量子傳送怎樣工作的更多細(xì)節(jié)。
化學(xué)學(xué)家大都不會(huì)對(duì)地面到空間的量子傳送能起作用倍感非常吃驚（由于沒有人憑直覺建造和發(fā)射航天器）。從來沒有任何征兆表明，距離是量子糾纏的一個(gè)誘因，所以這不是一個(gè)克服化學(xué)規(guī)律的問題，只是繞開了（好多）工程上的困難。用臥室兩側(cè)的設(shè)備進(jìn)行遁地是很容易的。這兒的區(qū)別是，"屋子的另一邊"正以大概8公里/秒的速率聯(lián)通，并且是在虛假的空間里。
量子狀態(tài)是微妙的，所以我們得就能捕捉、操縱和確切檢測(cè)單個(gè)光子的狀態(tài)，并將干擾降到最低。假定你沒有讓他人小聲讀這篇文章，就可以觀察到，光子在空氣中攜帶的信息相當(dāng)流暢。真的十分流暢。而在足夠大的距離上，即便是干凈的空氣也沒有那么好。目前這個(gè)相同過程的穿越空氣記錄在幾個(gè)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（你越往上走空氣越黏稠）。所以直上傳送應(yīng)當(dāng)比在地面站之間傳送更容易。
通常來說，傳遞完整的量子信息的最大問題是所有的東西都在惡行路程中，所以空間其實(shí)是一種解決方案。空間的問題涉及距離：東西離得越遠(yuǎn)，目標(biāo)就越小。在兩個(gè)地點(diǎn)之間構(gòu)建糾纏，須要在一個(gè)地點(diǎn)創(chuàng)造一對(duì)糾纏的粒子，之后將其中的一個(gè)發(fā)送到另一個(gè)地點(diǎn)。QUESS設(shè)法捕捉到大概每600萬個(gè)光子對(duì)中的一個(gè)，但是它在晚上不工作，由于陽(yáng)光會(huì)從空氣中散射下來（在兩個(gè)量子衛(wèi)星之間可能不是問題）。反正，QUESS團(tuán)隊(duì)宣稱才能在每秒構(gòu)建一個(gè)糾纏對(duì)。考慮到所有的事情，這真是一個(gè)令人印象深刻的難得的吹捧的權(quán)力。這構(gòu)成了"夸耀"（QUESS團(tuán)隊(duì)關(guān)于這個(gè)問題的官方論文）。
雖然身處喧鬧的通道中，好多光子遺失，其他許多光子的狀態(tài)也被她們的行程所攪亂，但一個(gè)可靠的量子通道一直是可能存在的。我們可以提煉量子糾纏，將許多弱糾纏對(duì)弄成更少的強(qiáng)糾纏對(duì)。你可以把這想成是重復(fù)一個(gè)數(shù)字信息，讓數(shù)字信息通過一個(gè)聒噪的信道。發(fā)送訊號(hào)須要更多的時(shí)間，但結(jié)果是一個(gè)比任何一個(gè)單獨(dú)的嘗試更清晰的信息。一旦雙方完善了糾纏，一個(gè)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(gè)糾纏對(duì)就可以弄成A-C之間的一個(gè)糾纏對(duì)。有了"量子中繼器"，我們可以通過堆砌許多短的、可能是喧鬧的通道來構(gòu)建巨大距離的量子通道。重點(diǎn)是：雖然量子態(tài)是完美且精美的，但我們不須要完美的奢華來處理它們。
在電報(bào)的黃金時(shí)代，我們可以把信息（比特）發(fā)送到任何地方，只是當(dāng)它們抵達(dá)那兒時(shí)，我們不能對(duì)它們做太多的事情。我們正在步入一個(gè)類似的（但可能要短得多）的量子信息時(shí)代。
量子信息技術(shù)仍處于起步階段。我們?nèi)缃竦那闆r類似于電報(bào)和摩斯密碼的時(shí)代，可以通過長(zhǎng)距離發(fā)送量子比特，一次發(fā)送幾個(gè)，但我們?cè)趦啥藳]有計(jì)算機(jī)就能對(duì)這種量子比特做哪些。雖然有這個(gè)巨大的缺陷，但有一些殺手級(jí)的應(yīng)用可能會(huì)促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。尤其是量子密碼學(xué)。
拋開細(xì)節(jié)不談，量子加密可歸結(jié)為：
1）分布大量成對(duì)的糾纏粒子
2）以相同的方法檢測(cè)每一對(duì)
3）記錄下結(jié)果
不涉及量子估算，最大糾纏對(duì)的決定性特點(diǎn)是，對(duì)糾纏對(duì)的檢測(cè)是完全相關(guān)的，但是本質(zhì)上是隨機(jī)的。任何攔截糾纏粒子的人/物就會(huì)打破（或起碼消弱）糾纏，因而可以測(cè)量到監(jiān)聽行為。對(duì)于外邊的密碼學(xué)家來說，量子密碼學(xué)是一種創(chuàng)建共享隨機(jī)秘密的方式量子傳輸速度，對(duì)中間人功擊強(qiáng)烈（或則起碼可以測(cè)量到這些試圖）。你和其他人創(chuàng)建一個(gè)只有大家兩個(gè)人可能曉得的隨機(jī)數(shù)，這讓你可以對(duì)任何信息進(jìn)行加密并發(fā)送（例如通過電子短信），數(shù)學(xué)規(guī)則可以保證信息的安全性。
量子密碼學(xué)：用基礎(chǔ)數(shù)學(xué)學(xué)來分享和保護(hù)秘密!
令人驚訝的是，好多具有空間探求能力的政府都對(duì)此感興趣，因而不太可能是最后一顆量子通訊衛(wèi)星。
只是作為一個(gè)簡(jiǎn)略的獨(dú)白，由于它常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)際上沒有東西步入到從一個(gè)量子系統(tǒng)到另一個(gè)量子系統(tǒng)的旅程。在量子信息理論領(lǐng)域有一對(duì)定律說，假如你和其他人共享一對(duì)糾纏粒子（有時(shí)稱為"ebit"），這么以糾纏為代價(jià)，應(yīng)用一些俏皮的方法，你可以。
1)發(fā)送2個(gè)比特來傳遞一個(gè)量子比特
2)發(fā)送1個(gè)量子比特來傳遞2個(gè)比特
第一個(gè)程序被稱為"遠(yuǎn)程傳輸"，第二個(gè)被稱為"超密集編碼"。其中一個(gè)是可怕的、誤導(dǎo)性的名子，另一個(gè)是"超密集編碼"。
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