quess-量子通信时代即将开启，太空远程传输或可实现：请拭目以待

《物理学家》：这不是任何人都会问的问题，只是兴趣的延伸

几周前，QUESS（空间尺度量子实验）开始将量子信息传送到Micius上，并且是在相距1200公里的地面站之间进行传送。这无疑是令人兴奋的，因为它证明了简易（低价）、高保真、长距离量子纠缠的可行性，这恰是所有量子通信的关键。Micius是全球规模的量子基础设施的第一个不稳定性支柱。

兴隆的激光器与世界上第一颗"量子卫星"Micius对话的延时摄影。

纠缠态基本上是相关和叠加的组合。比特和量子比特的区别在于，比特是1或0，而量子比特同时是1和0。一个量子比特可以有很多不同的形式（就像一个比特可以有很多形式一样）：在这种情况下，往往使用光的偏振。偏振状态有两种可能，相比较于编码两种可能性，即0和1来说是完美的（顺便说一下，对于制作3D电影来说也是完美的；每种偏振对应到每双眼都是电影的呈现）。

光的偏振可以指向任何方向（垂直于行进方向），所以它可以不止描述0或1，还可以描述两者的组合。

一个光子可以处于水平和垂直极化的叠加状态。测量之中，它们总是处于一种状态或另一种状态（0或1）。但在测量之前，我们可以对量子比特做很多巧妙的事情。

虽然不可能确定结果，但当你看到"0"或"1"的概率是由状态描述的（在上图中，"0"的可能性更大，但不能保证）。纠缠粒子的奇异之处在于，只要你以同样的方式测量它们，它们的随机结果将是相关的。对于最简单的一种纠缠状态，|Phi^+angle，结果是一样的。如果两个光子处于共享状态如|Phi^+rangle，你发现其中一个是垂直偏振的，那么另一个也会是垂直偏振的。

随机，但彼此都是一样的。不幸的是，实际上与任何一个粒子的任何相互作用都会打破纠缠，最终你将只剩下一对普通不相关的粒子。

这篇关于纠缠的讨论将涉及到更多细节。

如何得到相隔数千公里的纠缠粒子的？仔细阅读下文。

QUESS正在做的，正是"量子通信"的全部内容，是让两个纠缠的粒子即便相隔很远，也不会意外地破坏纠缠或丢失粒子（而当它们从太空中被发射到你身上时，这是很难的）。

如果两个相距甚远的各方共享一对纠缠的粒子，他们就可以开始做一些相当了不起的事情。其中之一就是能够从一个粒子向其纠缠的孪生粒子发送量子比特，所谓"量子远程传输"。量子传送需要一对纠缠的粒子和一个"经典通信渠道"（这包括但不限于大声喊叫）。满足这些条件，我们可以很容易地将一个量子比特，从一个地方"传送"到另一个地方。

顶部：一个你想传送的状态，A，以及两个共享纠缠状态的粒子，B和C。

中部：测量A和B的一些相对属性，并将结果发送给拥有另一个纠缠粒子的人。基于这些信息，另一个纠缠粒子被控制。

底部：这将导致纠缠被破坏，但C承担了A的原始状态。

Qubits（一般的量子态）是极其微妙的。任何能够让任何东西确定其状态的相互作用都会使该状态"塌缩"——一个量子比特从0和1变成了0或1，而所有可能与该叠加状态有关的优势都会消失。因此，远程传输需要测量要发送的量子比特A，但不需要实际确定关于它的任何东西，这非常困难。解决这个问题的方法是做一个特殊的测量，这种测量要对A和B进行比较，但并不直接测量其中任何一个。假设你知道两枚硬币有相同或相反的情况，那么你就相当于了解到了关于这两枚硬币的一些情况，但其实对它们中的任何一枚都没有具体了解。

同样的想法也适用于量子传送。纠缠态的中心思想是，如果B和C是纠缠的，那么它们对测量的反应是相同的。因此，通过比较A和B并了解它们的不同之处，你也在了解A和C是如何不同的。知道了这一点，你就可以弄清楚需要对C做什么来使其具有和A相同的状态，而这一切都不需要实际了解那个状态是什么。即使假设C在中国的远方，你也可以直接告诉拥有它的人测试的结果是什么。对于硬币/常规比特，你只需要发送一个比特的信息——比较的结果是"相同"或"不同"。而量子比特，你需要发送两个比特，因为量子力学是十分复杂的。下面将会讲到有关于量子传送如何工作的更多细节。

物理学家大都不会对地面到空间的量子传送能起作用感到十分惊讶（因为没有人凭直觉建造和发射航天器）。从来没有任何迹象表明，距离是量子纠缠的一个因素，所以这不是一个克服物理规律的问题，只是绕过了（很多）工程上的困难。用房间两边的设备进行瞬移是很容易的。这里的区别是，"房间的另一边"正以大约8公里/秒的速度移动，而且是在虚假的空间里。

量子状态是微妙的，所以我们得能够捕捉、操纵和准确测量单个光子的状态，并将干扰降到最低。假设你没有让别人大声读这篇文章，就可以观察到，光子在空气中携带的信息相当流畅。真的非常流畅。而在足够大的距离上，即使是干净的空气也没有这么好。目前这个相同过程的穿越空气记录在几个加那利群岛之间，有143公里。那143公里穿过我们大气层中最密集的区域（海平面）。你和太空之间的空气量与你和地面上7公里外的任何东西之间的空气量差不多（你越往上走空气越稀薄）。所以直上传送应该比在地面站之间传送更容易。

一般来说，传递完整的量子信息的最大问题是所有的东西都在行径路程中，所以空间显然是一种解决方案。空间的问题涉及距离：东西离得越远，目标就越小。在两个地点之间建立纠缠，需要在一个地点创造一对纠缠的粒子，然后将其中的一个发送到另一个地点。QUESS设法捕捉到大约每600万个光子对中的一个，而且它在白天不工作，因为阳光会从空气中散射出来（在两个量子卫星之间可能不是问题）。总之，QUESS团队声称能够在每秒建立一个纠缠对。考虑到所有的事情，这真是一个令人印象深刻的难得的吹嘘的权利。这构成了"吹嘘"（QUESS团队关于这个问题的官方论文）。

即使身处嘈杂的通道中，很多光子丢失，其他许多光子的状态也被他们的行程所扰乱，但一个可靠的量子通道仍然是可能存在的。我们可以提炼量子纠缠，将许多弱纠缠对变成更少的强纠缠对。你可以把这想成是重复一个数字信息，让数字信息通过一个嘈杂的信道。发送信号需要更多的时间，但结果是一个比任何一个单独的尝试更清晰的信息。一旦双方建立了纠缠，一个量子状态可以在双方之间传送，包括与其他东西纠缠的状态。这样，A-B和B-C之间的两个纠缠对就可以变成A-C之间的一个纠缠对。有了 "量子中继器"，我们可以通过拼凑许多短的、可能是嘈杂的通道来建立巨大距离的量子通道。重点是：尽管量子态是完美且精致的，但我们不需要完美的精致来处理它们。

在电报的黄金时代，我们可以把信息（比特）发送到任何地方，只是当它们到达那里时，我们不能对它们做太多的事情。我们正在进入一个类似的（但可能要短得多）的量子信息时代。

量子信息技术仍处于起步阶段。我们现在的情况类似于电报和摩斯密码的时代，可以通过长距离发送量子比特，一次发送几个，但我们在两端没有计算机能够对这些量子比特做什么。尽管有这个巨大的缺陷，但有一些杀手级的应用可能会推动这项技术的发展。尤其是量子密码学。

撇开细节不谈，量子加密可归结为：

1）分布大量成对的纠缠粒子

2）以相同的方式测量每一对

3）记录下结果

不涉及量子计算，最大纠缠对的决定性特征是，对纠缠对的测量是完全相关的，并且本质上是随机的。任何拦截纠缠粒子的人/物都会打破（或至少削弱）纠缠，因此可以检测到窃听行为。对于外面的密码学家来说，量子密码学是一种创建共享随机秘密的方法，对中间人攻击强烈（或者至少可以检测到这种企图）。你和其他人创建一个只有你们两个人可能知道的随机数，这让你可以对任何信息进行加密并发送（例如通过电子邮件），物理规则可以保证信息的安全性。

量子密码学：用基础物理学来分享和保护秘密!

令人震惊的是，很多具有空间探索能力的政府都对此感兴趣，因此Micius不太可能是最后一颗量子通信卫星。

只是作为一个简短的旁白，因为它经常没有被清楚地说明：量子传送并不涉及任何意义上的实际传送。实际上没有东西进入到从一个量子系统到另一个量子系统的旅程。在量子信息理论领域有一对定理说，如果你和其他人共享一对纠缠粒子（有时称为"ebit"），那么以纠缠为代价，应用一些可爱的技巧，你可以。

1)发送2个比特来传递一个量子比特

2)发送1个量子比特来传递2个比特

第一个程序被称为"远程传输"，第二个被称为"超密集编码"。其中一个是可怕的、误导性的名字，另一个是"超密集编码"。

BY: Physicist

FY:四二

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