《物理学家》：这不是任何人都会问的问题 ， 只是兴趣的延伸
【量子|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】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 。
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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） 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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） 。
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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 。
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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!
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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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