百年，堅忍無畏，改天換地；

十年，開拓創新，成就非凡；

問江山何以壯美如畫卷？

民族夢想，偉大複興，勇毅前行！

講述：任志宏 提問：龍思彤

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　　A

　　2016年8月16日，世界上首顆量子科學實驗衛星“墨子号”順利升空，标志着我國空間科學研究邁出了重要一步；也标志着人類對于量子物理的研究，正逐步從理論研究走向現實應用。而對于量子物理來說，這還僅僅是人類邁出的“一小步”，一場“量子革命”，也才剛剛拉開大幕。

　　量子被認為是物理世界裡最小的、不可分割的基本個體，量子擁有許多“反常識”的奇妙特性，比如量子态疊加、量子糾纏、量子不可克隆定理等等；“墨子号”量子衛星就是要利用量子的這些特性來做一系列的科學實驗。

　　Q

　　老師，您剛剛提到的那些特性我都不懂。您能以量子糾纏為例給我講講到底是怎麼一回事嗎？

　　A

　　可以這樣理解，就是兩個相關的量子，存在着某種“心電感應”，無論兩者相距多遠，都能在一瞬間同時改變狀态。而這種特性打破了以往科學家對物理世界的認識規律，甚至一度遭到愛因斯坦的懷疑。不過科學研究最終證實，這種“幽靈般的超距作用”确實是存在的。打個比方，就相當于有人拿了一副手套，其中一隻寄到了香港，另外一隻留在北京的紙箱裡，大家都不知道郵寄到香港的那隻手套是左手還是右手。但有一個方法，就是你打開留在北京的紙箱，當你看到箱子裡那一隻手套的瞬間，就可以同時确定寄走的那一隻是左手還是右手啦！這就是相當于一種“糾纏态”，無論它們距離有多遠，你都可以瞬間就确定。

　　有了“量子糾纏”這樣的情況，科學家于是就想到了利用粒子的這種特性制備一組互相糾纏的量子，并分别放在跨度很遠的兩個空間，然後改變其中一個量子的狀态，也就能夠瞬間改變了另一個量子的狀态，這樣就可以達到信息的瞬間傳輸了。“墨子号”就是用來進行這樣科學實驗的一顆衛星。

　　Q

　　老師，現在我們的“墨子号”都做了哪些實驗呢？

　　A

　　好的，我來回答你的問題。我國的“墨子号”量子科學實驗衛星預先設定了三大科學目标，第一是量子密鑰的分發；第二是量子糾纏分發；第三是量子隐形傳态。

　　量子密鑰分發，通俗的說就是量子保密通信。也就是當衛星在軌運行的過程當中，它會将不同的單光子束分别發送到兩個不同的地點，在實際的實驗中設定的是北京的興隆站和新疆的南山站，然後地面的工作人員将接收到的光子進行測量，從而約定密碼，最終以實現遙遠兩地之間絕對安全的量子保密通信。

　　第二個實驗就是量子糾纏分發。實驗中，衛星會制備出一對糾纏的光子，然後把它們分别發送到位于雲南的麗江站和青海的德令哈站。那麼根據量子的糾纏理論，雖然這兩個量子它們的狀态不斷變化，而且是不确定的，但是隻要測量其中的一個光子，就知道另外的一個光子的狀态了，我們形象地說就好像是雙胞胎的心靈感應。接下來實驗人員同時對這兩個接收到的光子進行獨立測量，從而驗證愛因斯坦所說的這種“幽靈般的超距作用”是否真的存在。

　　時空穿越一直是人類的夢想。在量子世界中，這種時空穿越的現象是否真的存在，這就是量子衛星要做的第三個實驗，量子隐形傳态，就是用隐形的方式傳輸量子的狀态。實驗中，科研人員會在地面的實驗站制備出一對糾纏光子，一個留在地面，一個發送到衛星上。那麼與此同時，科研人員還會再制備出第三個光子，讓它和地面的光子發生新的糾纏。按照量子的理論，在地面的兩個光子糾纏在一起的同時，天上的光子不再和地面上原來的光子糾纏，反而會呈現出地面上第三個光子的狀态，就好像把地面的第三個光子瞬間傳送到了空中；這聽起來是不是很奇妙啊！

　　Q

　　老師，不僅奇妙，這些說法也太燒腦了，我們聽的似懂非懂啊！

　　A

　　嗯，這位同學說的太好了！而且這個說法很“準确”！就是“似懂非懂”。是這樣的，量子物理在物理學的領域雖然有一百多年了，它的“獨特魅力”也正在這裡。上百年來，無數的科學家投身其中，但研究的成果仍然很有限，就在于它用語言很難描述明白。所以，在量子物理學領域有這樣一個說法：如果你說，你真正了解了量子物理學，那說明你還沒有真的搞懂呢。不過，量子物理學的魅力就在于，在人類沒有徹底搞明白之前，它卻是可以邊探索邊應用的，這也是我國“墨子号”量子科學實驗衛星的魅力所在啊！

　　Q

　　老師，請問現在“墨子号”怎麼樣啦？

　　A

　　目前“墨子号”量子科學實驗衛星還在太空飛行，科學家們還在做着各種探索和實驗。它獲得的科研成果也不斷被國際科學界認可和肯定。比如在2019年1月份，美國科學促進會就宣布，“墨子号”量子科學實驗衛星科研團隊被授予了2018年度克利夫蘭獎，以表彰科研團隊通過實現千公裡級星地雙向量子糾纏分發，為推動大尺度量子通信實驗研究做出的卓越貢獻。這是這個獎項設立90多年來，中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得這個榮譽。而在之前的2018年12月17日，“墨子号”完成的洲際量子密鑰分發研究成果，還被列入美國物理學會2018年度國際物理學領域的十項重大進展。

　　目前我們的科學家還正在探索，争取把量子衛星的重量由現有的幾百公斤降低到幾十公斤以下，同時把地面接收系統的重量由現有的10幾噸降低到100公斤左右，實現接收系統的小型化、可搬運，為将來衛星量子通信的規模化、商業化應用奠定基礎。

　　說到商業運用我還要補充一點，就是實用化的量子保密通信技術正在蓬勃發展，但要進一步實現從實用化到産業化規模應用，還面臨着不少挑戰。其中，标準化是關鍵一步，是未來産業成熟發展的基石。

　　目前，我國正全力推進“量子密鑰分發”的标準化相關工作。2017年成立了量子通信與信息技術特設組，正在圍繞量子保密通信标準體系的術語、應用場景、網絡架構、技術要求、測試方法、應用接口等内容編制有關國家标準和行業标準。另外，我國專家在推進國際标準化進程方面也在不斷地探索和努力。希望同學們保持一顆好奇心，不懂就問，去學習，去探索，将來為我們的科學研究做出自己的貢獻。

講述：任志宏

　　演播藝術家，中央廣播電視總台主持人、播音指導。曾擔任中央電視台中文國際頻道《國寶檔案》欄目主持人，先後獲首屆全國廣播朗誦大賽專業組一等獎、第二屆全國廣播電視播音員主持人“金話筒”電視主持人金獎。

提問：龍思彤（14歲）

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