从量子纠缠，到量子通信

本文来自微信公众号：墨子沙龙（ID：MiciusSalon），作者：印娟，题图来自：《美国队长3》

2022年10月4日，诺贝尔物理学奖授予在量子信息领域做出开创性贡献的三位科学家。在诺奖官方介绍的相关工作里，提到了中国科学家主导或参与的8篇文章，其中，星地量子密钥分发、星地量子密钥分发、器件无关量子密钥分发是对量子信息，尤其是量子通信领域的重要发展和促进，完全由中国的潘建伟院士团队设计完成，此外，7600公里洲际量子通信实验也是由该团队主导的墨子号量子卫星实现。

中国科大的印娟教授，是团队最早期的成员之一，当她还是一名大二学生的时候，就结缘量子，此后的二十年，她和“墨子号”量子通信卫星携手前行，共同成长，见证了中国在量子通信领域从赶超到领跑的历程。

2016年，随着”墨子号”顺利升空并在轨工作，“量子通信”成了家喻户晓的科技热门词。对印娟来说，她目送墨子号飞向太空，像看着抚育多年的孩子踏上征程。那个时刻，印娟脑中涌现的，是十多年前的大蜀山，13公里自由空间双向量子纠缠分发实验，她们证明了用卫星实现量子通信的可行性。以此为起点，印娟和团队小伙伴们并肩作战十多年，在气候凌冽的青海湖、在银汉高悬的新疆南山、在世界屋脊西藏阿里、在山峦起伏的河北兴隆，仰望星空，脚踏实地，一步步让自由空间量子通信从理论变成现实。

作为团队中的女性成员，印娟从来没有在艰苦的工作环境中退缩。她和所有人一样，以梦想为马，与艰辛相伴，用出色的工作将量子信息从高深的词汇变成服务国家、惠及民生的硬核法宝。在墨子沙龙“她力量”专场，印娟教授带来了她心中的量子故事。

什么是量子力学 

经典物理学在19世纪末20世纪初，已经发展得很完备。我们生活中的宏观、低速的场景，经典物理学都能给出很好的预测和解释。日月星辰、苹果小球，都遵循着同样的运行规律，仿佛只要知道了体系的初始状态，后面的一切演化都是确定的。

可是，真的是这样吗？如果今天宇宙中的一切早在大爆炸的那一刻就决定了，人类的努力还有没有意义？

1900年，随着普朗克提出了量子的能量说，人类进入量子时代，就在那个群星闪耀的时代，爱因斯坦提出了光量子的效应；玻尔描述了原子的能级；薛定锷用一个方程来描述概率波的世界；海森堡提出了 “测不准原理”。很多科学家共同描述了量子世界的样貌。

图源：演讲视频截图

那么，量子是什么呢？

量子是构成物质的最基本的单元，是能量的最基本的携带者，比如光子、原子、分子。并且，我们说它已经是最基本的单元，意味着它就不可以再往下细分了。

量子有什么样的特性？我们可以将其与经典物理进行对比：在经典物理学的理论之下，我们可以用0和1作为比特来描述世界；而在量子世界里，由于量子叠加，比特可以处在0或1，也可以处在0和1的叠加的状态。

图源：演讲视频截图

以光子为例，光子既是粒子也是波，它有波动的特性，它振动的方向就叫做极化方向。极化方向可以在任何一个方向，可以是水平的，或者是垂直的，也可以处在二者的叠加态。

当我们对极化方向去做测量的时候，结果并不是确定的，它有50%的概率在水平，有50%的概率在竖直，这就是它的叠加性。需要说明的是，这个量子叠加特性是单粒子的状态。

如果是双粒子或者更多的粒子出现的时候，就会出现了量子力学的精髓——量子纠缠。

图源：演讲视频截图

我用双胞胎来打个比方，一个同卵的双胞胎，即使在世界上不同的地方，如果其中一个的眼珠是黄色的，你不用去看另外一个，就可以知道他的眼睛肯定也是一样的颜色。而实际上在量子纠缠这个问题上，情况要更复杂一些：在你没有去测量他眼珠颜色之前，眼珠颜色是处在一个叠加状态的，它有一定的概率处于黄，一定的概率处于蓝。但当你去看其中一个孩子眼珠颜色的时候，另一个孩子的眼珠也处在了同样的状态。爱因斯坦认为，这是不可思议的，他把这种现象称之为“遥远地点之间的诡异互动”。他认为必须要力证这个事情的荒谬。

1935年，爱因斯坦跟波尔多斯基、罗森三个人发表了一篇文章，来质疑量子力学的完备性。

图源：论文截图

因为他认为，身处两地的双胞胎，眼球的颜色肯定是预先确定的。一旦你看到其中一个的颜色是黄色，会有一个“超人”立刻告诉远处的另一个人，让他也变成黄色。这个“超人”非常强大，超越了我们的日常理解，爱因斯坦把它叫做隐变量。爱因斯坦认为，粒子的原始状态是确定的，之所以会出现“遥远之间的诡异互动”，是因为有一个隐变量在操纵。而那篇文章，因为三位作者的名字，被称作EPR佯缪。

这就是在当时两种量子力学学派的争论。一派以爱因斯坦为代表，他认为世界是定域实在的，事物本身都是确定的，只要传播的速度没有超过光速，两地的状态就来不及产生关联。而以玻尔为代表的另一派则认为，量子是有非定域性的，在非局域上能够同时有相应的变化产生。

两个学派争论了几十年，一直都处在哲学思辨的层面。终于，贝尔在1964年，想出了一种方法，来证明隐变量的存在。他从EPR佯谬出发来做推论，设计了一个不等式，假设有这样一个隐变量存在，这个不等式的结果不会超过2。但如果量子力学纠缠是存在的，这个结果会超过2。

贝尔不等式为实验验证爱因斯坦和玻尔谁对谁错提供了思路。那么，接下来就是从不等式的数学形式到实验验证。John Clauser、Shimony和他的学生Horne，两组人同时开展实验方案的设计，后来再加上Holt，他们四个人形成了一个叫做CHSH（以其姓氏首字母命名）的不等式，这样，贝尔不等式往实验可验证的路上进了一步。

后来，他们四个人又分成了三个组，去继续实验。1972年，Clauser第一个用量子纠缠检验了贝尔不等式，证明量子力学是正确的。不过，既然是第一个实验，就有考虑不周的地方——既然是检验遥远距离之间的影响，互相就不能“窃窃私语”，而Clauser的实验设备距离很近，测量也都是固定的，就像分别对两个孩子进行考试，他们离得太近互相偷看，就算没有纠缠，他俩的答案还是互相对应的。

Alan Aspect 发现了这个问题，他的实验设计，能够满足遥远之间互相不影响，也就是我们说的类空间隔，证明了量子力学的正确。

但Alan Aspect的实验还是有漏洞——测量方向是周期的，如果隐变量真的存在，也许就能像超人一样，根据这个周期来操纵实验结果。所以，1998年，Zeilinger进一步改进实验，他让测量方向变成随机的，关闭了这个局域性漏洞。

接下来，让我们把脑洞再开大一点，考虑到在这些实验里，探测到的这些纠缠，其实是产生的那些纠缠里的非常少的一部分，也许，超人又来“使坏”了，他故意让你看到那有关联的少部分，这就是所谓探测漏洞。所以，后来一些科学家不断改进实验，最终同时关闭了定域性漏洞和探测漏洞，事实证明，所有的实验都验证了量子力学的正确性。

当然，严格来说，贝尔不等式假设的都是非常完美的条件，所以目前还有相关的漏洞没有严格关闭，还需要科学家继续往下走。

这些故事讲完了，我们现在来看今年的诺贝尔物理学奖：获奖者是Alan Aspect、John Clauser、Anton Zeilinger。奖励他们用纠缠光子进行实验，确立了贝尔不等式的违背，开创了量子信息科学。

是的，量子纠缠不仅有理论上的革命性意义，还可以帮助我们做很多事。比如前面提到的Anton Zeilinger，提出并实现了三粒子纠缠，贝尔不等式得到了更强有力的验证。此外，多粒子纠缠还被证明可以干别的事情，比如，量子通信，量子计算，量子精密测量等。

量子通信的故事 

量子力学是一个革命性的观念，对量子力学的一些根本性的问题，科学家还在继续研究，但是对量子的应用早已展开。今天，我想介绍量子信息科学中的重要部分——量子通信。

首先是量子密钥分发——光子不可再分，窃听者是没有办法偷走一半的，只要通信的双方共享了量子态，窃听者一旦有测量行为，最后通信双方通过比对就必定会发现，经过比对检验过的密钥，再结合一次一密的加密方式，我们就可以在原理上实现无条件安全的通信方式。

原理上无条件安全的通信方式，图源：演讲视频截图

另一个是全新的量子通信的方式——量子隐形传态。就是利用量子纠缠，将量子信息传送到另一地点，而不用传送信息载体本身。

量子隐形传态示意图，图源：演讲视频截图

在电影《星际迷航》里，就有这样的过程。我们来想象一下，我们上海的实验室有跟北京某个实验室相互纠缠的物质，我把自己跟上海的这团物质测量一下，测量的结果通过网络发去北京。北京方面根据收到的测量结果，做一次操作，我就在那边出来了。当然，测量一个人的所有信息现在还办不到。但是在我们现有的实验室里，多体、多终端、多自由度、多维度的量子隐形传态是在渐渐实现的。

现在来看一看关于量子通信早期的原理性验证，1992年，科学家实现了首次的量子密钥分发，当时的距离只有32公分，整个装置又大又粗糙，属于原型演示。而最早的量子隐形传态实验， 则是1997年，由Bouwmeester、潘建伟、Anton Zeilinger共同完成的。该实验在1999年入选了《自然》物理学百年的21篇经典论文，当时入选的论文工作包括伦琴的X射线，还有爱因斯坦的相对论等。到今年为止，这21篇论文全数斩获诺贝尔奖。

从实用的角度说，既然是量子通信，就要实现远距离。光子在光纤里面是有固定的损耗的，远距离量子通信，需要量子中继，而更有效的方式，就是自由空间的量子通信，除了大气层这段，外太空几乎没有对光子的损耗和退相干。

我是20年前进入实验室的，当时潘老师的组里就已经提出自由空间的量子通信。对于这样一个很大胆的想法，大家都会觉得有点天方夜谭，但实际上我们就是这么一步步往下走下来的。

大气层等效厚度是8公里，我们首先做了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验、16公里自由空间量子隐形传态实验。第二步，为了验证在高损耗星地链路中进行量子通信的可行性，我们又在青海湖进行了百公里级自由空间量子纠缠分发和量子隐形传态。第三步，为了验证各种卫星运动姿态下进行星地量子通信的可行性，我们在青海湖进行了星地量子通信的全方位地基验证。

在自由空间量子通信的国际竞争中，我们国家率先于2011年11月启动了中科院“量子科学实验卫星”的先导专项计划，并于2016年成功发射“墨子号”量子科学实验卫星。

图源：演讲视频截图

“墨子号”发射至今，成果不断涌现。星地双向纠缠分发和贝尔不等式检验、星地量子密钥分发、地星量子隐形传态，都已经达到了千公里水平。

诺贝尔奖公布新闻发布会上展示“墨子号”研究成果，图源：obelprize.org

在今年诺贝尔奖公布新闻发布会上，“墨子号”研究成果被重点介绍。诺奖官方深度解读里，也引用了中国人的一些工作。具体来说，一共是引用了我们中国科学家，尤其是潘建伟教授的七篇文章。其中四篇文章是潘老师在奥地利维也纳跟随Anton Zeilinger读研究生期间的工作，这些工作直接贡献到了Anton Zeilinger这次拿诺贝尔奖的成就。

另外三篇，纯粹是我们国内实验室做的工作，分别是星地量子密钥分发、地星量子隐形传态、器件无关的量子密钥分发。潘老师是这些实验想法的提出者、实验方案的设计者，按照诺奖官方解读，这些是对量子信息领域，尤其是量子通信领域的重要促进。2017年，我们的三个主目标完成了之后，“墨子号”实现了北京和维也纳之间的7600公里洲际量子通信，2018年1月，文章发表。

“墨子号”取得的成功，激发了国际上很多国家投入空间量子通信计划，目前，我们不管是在“墨子号”，还是后续的低轨小卫星，都还是在国际上保持领先。未来，我们希望通过太空中低轨、高轨的卫星组网，实现天地一体化的广域量子通信保密体系，并且与经典的通信网络实现无缝的链接，来构建具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代的国际信息安全生态系统。

在基础物理方面，可能会结合我国的登月计划，开展观测者参与的量子力学非定域性检验。

我对科研的感悟  

从我进实验室开始，已经和量子纠缠“纠缠”了二十年。我们目前的量子纠缠光源都是利用各种各样的晶体自发参量下转换产生的。我清楚地记得，进实验室第一天，我的班主任杨涛老师让我站到实验平台的尾端，问我能不能看到示意图上的绿点。我说我看到的是红的，他肯定了我的答案，说你是实验室第二个看到纠缠的人。

后来，我去多光子平台上成功调出了干涉曲线，潘老师和师兄们也在各种场合，说当年第一个多光子平台干涉曲线是我调出来的。这些肯定和鼓励让我愿意坚持20年继续在这个领域做下去。所以师长的夸奖，对于晚辈来说，有非常大的促进作用。

在我成为导师之后，也开始独立带研究生，我的组里女研究生很多。在墨子号的研制过程中，很多女生参与其中。她们不仅细心、而且坚韧，在青海湖那样艰苦的环境下，搭帐篷、手摇发电机做饭都没有难倒她们，在阿里5100米的高原上，女生们带着氧气面罩一样往前冲，论坚毅程度，我认为不存在性别的差异。所以从这个角度上来讲，我录取研究生是不挑性别的，只要女性有意愿和兴趣从事科研，我就会支持她，因为兴趣能支撑你走很远。

演讲者介绍：印娟，中国科学技术大学教授，“墨子号”量子科学实验卫星量子纠缠源载荷主任设计师。2011年获中国科学技术大学理学博士学位。从事基于远距离量子纠缠的量子物理实验研究，完成了千公里级星地双向量子纠缠分发和无中继量子密钥分发等，首次实现可覆盖全球的广域量子通信。曾获上海市巾帼创新新秀奖、美国科学促进会克利夫兰奖、中科院杰出科技成就奖（研究集体）、全国三八红旗手等荣誉。

内容来自墨子沙龙线上活动“她力量：拥有智慧和勇气的女性们”（2022年10月29日），演讲者是中国科学技术大学印娟教授。

本文来自微信公众号：墨子沙龙（ID：MiciusSalon），作者：印娟