北京时间10月4日黄昏，2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩、美国理论与实验物理学家约翰·F·卡梅伦、奥地利量子物理学家安东·蔡林格，以表彰他们“利用纠缠光子进行实验，建立了贝尔不等式的违背，开创了量子信息科学”。蔡林格也是“中国量子通信之父”潘建伟的导师。
三位科学家利用量子纠缠进行了开创性的实验，量子纠缠是指两个粒子即使分开，也表现得像一个整体。瑞典皇家科学院表示，他们的工作为量子技术带来了突破。一个新时代的基础已经奠定。
一系列问题随之而来：量子纠缠到底是什么？量子信息科学有什么大用处？什么是量子通信？为什么中国在量子通信方面领先一步？……
我们从头开始。什么是量子？这个词来自拉丁语，意思是“多少”。在物理学中，它指的是“不可分割的基本实体”。
这里引入了一系列概念：
●能量子是能量的最小份额；
●光子的最小单位是光，光是由能量不连续的光子所组成。
●量化，即能量可以量化，能量只能以最小份额的倍数变化；
●量子力学，又称量子物理学，是与相对论并存的物理学基本理论，专门在微观尺度上研究物理世界。
好，现在我们先来认识一下量子力学的创始人。
正是这位具有极高音乐修养的德国物理学家马克斯·普朗克，在1900年发表了具有划时代意义的“能量量化”（量子理论）理论，并由此诞生了这个量子小妖精。
为什么说量子是小妖精呢？因为普朗克打开了一个叫做“量子世界”的潘多拉魔盒，从里面蹦出来的妖精挥起第一根棍子就把“量子力学之父”打晕了。古典物理学中，能量是连续释放的物理学家量子通讯，而普朗克的量子理论讲的是能量分批释放。结果连他自己都搞糊涂了，甚至后悔了。
不过另一位大师帮他稳住了地位，1905年，爱因斯坦提出“光量子假说”，完美地解释了这种困惑——因为光是由不连续的光量子构成的，而能量只有光量子的理论，他还解决了著名的“光电效应”难题，并于1921年获得诺贝尔奖。
但光量子为何会是碎片呢?前两位大师都没有答案。
1913年，第三位大师出现了——丹麦物理学家尼尔斯·玻尔提出了“量子化原子结构”，并给出了明确的答案——因为电子轨道是量子化的，电子只能从一个能级跃迁到另一个能级（电子轨道），跃迁过程中吸收和释放的能量当然不是连续的，而是分批的。（什么是跃迁？电子在轨道之间瞬间跃迁，中间没有任何变化的过程。）
从此，以玻尔为首的哥本哈根学派在一批青年才俊的共同努力下，建成了宏伟的量子力学大厦。
31岁，德布罗意提出“物质波”概念；
24岁，海森堡创立矩阵力学和不确定性原理；
24岁，泡利提出不相容原理；
26岁，狄拉克创建了狄拉克方程；
37岁时，薛定谔建立了薛定谔方程
…
如今，量子力学已经成为一座巍峨的科学大厦，我们不可能在一篇文章中将其全部解释清楚。不过，为了理解量子卫星，我们只需要了解几个基本概念。
●量子叠加原理
——微观粒子可以同时存在于两个甚至多个地方的状态！更诡异的是，叠加态直到观察者测量后才会坍缩为确定状态。
乍一看，这似乎是无稽之谈，违背常理。其实，你不必大声疾呼，因为物理学大师已经为你做到了。
爱因斯坦曾经说过：“如果量子力学是正确的，那么世界就有点疯狂了！”
玻尔还说：“如果有人对量子理论没有感到震惊，那是因为他还没有理解它。”
费曼先生曾经说过：“我想我可以相当自信地说，没有人真正理解量子力学。”
但对于粒子世界，人类的感官直觉真的毫无用处！重要的是事实胜于雄辩，实验赢得信任。可以说，没有量子力学，就没有今天的高科技产业。正是因为利用了量子叠加，人类才创造了量子通讯卫星和量子计算机。
正是因为叠加态是量子力学最大的谜团，人们才从中推导出大量的导数：
▲死而复生的薛定谔猫
①薛定谔的思想实验“薛定谔的猫”，一只既死又活的猫，是微观量子叠加态的宏观可视化；
② 物理学家给这种量子坍缩现象起了个奇怪的名字：波函数坍缩；
③惠勒把这种“观察影响量子行为”的现象解释为著名的“延迟决策”，并构思了一个更加离奇的“延迟选择实验”……
●量子纠缠原理
——我们刚刚经历了奇异的量子叠加态，还有更奇异的在等待我们，那就是纠缠态。
曾经在一起的粒子无论相距多远，都能保持瞬间、长距离、神奇的联系。例如，如果两个曾经彼此非常接近的粒子相隔非常远的距离，即使它们位于宇宙的两端，至少它们会连接在一起。理论上，是的，它们仍然可以相互通信。事实上，刺激一个粒子会导致其远方伙伴物理学家量子通讯，即另一个粒子，同时被感知到！
为了防止大家胡思乱想，我必须澄清一点，量子纠缠不能用来证明心灵感应或超自然魔法。不要混淆了！
●量子不确定性原理
——又称海森堡不确定性原理，由量子理论创始人之一海森堡提出，指不能同时测量粒子的位置和速度。
这个道理很好理解，比如电子的轨道只有10^-10米，但速度却高达10^6米/秒。以人类现有的测量手段——光子撞击，只能二选一：要准确测量一个量，要么测速度，要么测位置。要测量电子的位置，必须用波长更短的光子，波长更短的光子携带的能量更多，对电子运动速度的扰动更大，当然测量不准确，反之亦然。
●量子态不可复制原理
——又称不可克隆原理，由美国物理学家威斯纳于1982年提出留学之路，指不可能对任何未知的量子态进行精确、完全相同的复制。
其实这很好理解，如果想完全复制一个粒子，就必须进行精密的测量，但不确定性原理决定了量子测量是不确定的，当然不存在复制或克隆的问题。
关键问题来了：这些量子原理到底和量子卫星有什么关系？
这很重要，正是因为这些不可思议的量子态原理的存在，量子卫星才能够利用它们，最大限度的发挥量子态的效能！
我们知道量子科学应用主要包括量子通信、量子计算、量子精密测量三个领域，欧盟最新的统计数据显示，在量子通信方面，中国领先，欧洲次之；在量子计算方面，欧洲最强，美国次之；在量子精密测量方面，欧洲领先，美国次之。
中国花这么大力气研制量子通信卫星，最重要的原因就是为了保密！量子通信卫星的核心技术就是量子密码技术。因为按照刚才说的量子态原理，量子密码技术一定是不可能被窃听、无法破解的！也就是说，量子理论给人类提供了一种前所未有的、绝对安全的密码体系。
具体来说，窃听者如果想窃取量子码，就必须进行同步测量，但根据量子态的不确定性原理和不可复制性原理，只要对量子码进行测量，量子系统的状态就一定会发生变化，这种情况下保密方就会立刻察觉到问题，并终止通信，切换到其他量子信道。
保密方也会遭遇不确定性原理和不可复制原理的限制，不可能将所有保密信息都以量子态传输，该怎么办呢？
量子密码技术怎么用？关键人物拿来关键钥匙——1984年，美国物理学家贝内特创立了量子密码技术的核心——量子密钥分发机制，也就是业界闻名的“BB84”。这为人类打开了量子密码通信时代的大门，他因此被尊崇为“现代量子信息理论的奠基人”。
“BB84”的核心是发送者必须将保密信息分成量子信息和经典信息两部分，分别通过量子信道（如量子卫星）和经典信道（如无线电/互联网）发送出去，完成量子纠缠态，信息接收者获得这两类信息后，就能构造出原始量子态的精确副本。
这是量子隐形传态的原理图：发送者想把处于量子态的机密信息X通过量子隐形传态传送给接收者，具体是怎么做到的呢？
①首先，分配一对量子纠缠粒子A和B给发送者和接收者；
②发送方对A和X进行测量操作（学名贝尔测量，过于专业，此处省略），瞬间形成结果：X、A、B三粒子之间完成纠缠转移，原本互不纠缠的X与A变成纠缠状态，A的变化立刻影响到B的变化，X量子态的大部分信息被转移到B。
③发送方通过经典信道向接收方传输经典信息，即告知测量结果；
④接收方对量子信道传输的B和经典信道传输的测量结果（太专业，省略）进行变换，使得接收方获得完整的量子态机密信息X。
说到量子隐形传态，我们很容易想到科幻小说中的超光速传输或长距离门户。但不幸的是，这是不可能的！
首先，由于量子隐形传态需要借助无线电/互联网等经典信道才能完成，而只要是经典信道，就不可能超越光速的最大极限，所以无法实现所谓的超光速通信。
其次，这里说的量子隐形传态只是量子复制/克隆，即便是克隆一粒小小的沙子，我们也不知道该如何操作，更别说克隆一个活生生的人体了。这个想法已经远远超出了目前的现实，在物理学的范畴内，如果想要找到答案，可能还要等上百年甚至上千年。
需要指出的是，在整个量子隐形传态过程中，发送者和接收者其实都是不知道机密信息X的，因为这个过程包含了量子科学的三大应用——量子密钥分发、量子纠缠、量子传输，三者分别独立操作，从而彻底保证：人类密码史上永远无法破解的终极钥匙——量子密码学！
正如顶尖的理论物理学家需要顶尖的实验物理学家来验证他们的工作一样，最好的量子密码理论体系也需要最好的科研团队来实现。
▲今年诺贝尔物理学奖得主JE塞林格也是“中国量子通信之父”潘建伟的导师
以潘建伟为代表的我国量子通信先驱们，如今已遥遥领先于世界其他地区。
2016年，全球首条量子通信“京沪干线”建成，传输长度超过2000公里，中国迈出了量子通信网络的第一步；2016年，全球首颗量子通信卫星墨子号发射，引领即将到来的量子通信时代到来；2017年，墨子号实现1200公里的量子纠缠分发，取得量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态三大科学成果；2020年代，中国将建成横跨亚欧大陆的洲际量子通信网络：到2030年，中国将建成全球广域量子通信网络。毫无疑问，在全球量子通信时代，中国已经遥遥领先。领先的感觉很棒，尤其是在最神秘的量子世界里！
