墨子号量子密匙分发是怎么实现的？

　　您可能不熟悉量子力学，但一定听说过量子纠缠，我们国家在这方面的科研水平遥遥领先世界，墨子号是唯一在轨运行的量子通讯实验卫星。然而对于量子纠缠，仍然有小伙伴无法接受这个事实，不相信墨子号的巨大作用，这里就为您做一下解释。
　　无法理解的瞬间超距作用
　　在我们的日常生活经验中，空间是连续的，物质有自己的轮廓（边界）。如果要把10米远的易拉罐从墙头上打下去，靠脑袋想是不可能的，练气功的会说依靠内气外放，咱们普通人只能用弹弓或者扔石头，还得瞄得准才能把它击落。
　　然而超距现象是真实存在的，人类很早就发现用皮毛摩擦过的玻璃棒能吸引小纸屑、磁铁可以吸引铁屑，这些都不需要接触就能发生相互作用。当年牛顿发现万有引力能够让两个物体隔空发生相互吸引，内心也是非常崩溃的。
　　如果你能理解上述超距作用，那么如果我们说两个粒子相距无限远也可以产生作用，也就勉强能够接受。但这种超距作用与我们之前认识到的超距作用还有一个不同点，就无论如何都难以理解了。这就是，这种作用非但是超光速的，而且还能相互感知对方的位置。
　　试想一个无限大的水平光滑平面上，一个静止物体炸开分裂成两半，这两半的物体就会沿着相反方向分开，不论什么时候，你只要测量其中一个物体的动量和位置，你都能知道另外一个物体的动量和位置。这个好理解，就是咱们高中物理学中的动量守恒定律。
　　如果把前面这个物体换成一个微观粒子，一个粒子分裂成两个，这种现象是微观世界中非常常见的现象。与前面那个宏观物体分裂的情况类似，不论你什么时候测量其中一个粒子的动量，你都能知道另外一个粒子的动量。
　　然而不同的是，测量其中一个粒子的动量的时候，它的值是随机的。但两个粒子之间仍然严格保持前面所说的对应关系。请问，是谁通知另外一个粒子，前面被测量的那个粒子的动量了呢？又是谁，让这个粒子的动量，跟随前面那个粒子发生变化呢？
　　这就是量子纠缠中，最诡异的现象。爱因斯坦把这种现象称之为幽灵般的超距作用，这也表面爱因斯坦对于量子力学是真的不怎么懂。
　　量子纠缠是客观存在的一种物理现象
　　作为物理系出身的老郭，在学习量子力学的时候，教授用全同粒子（所有的质子、所有的电子、所有的中子等）的叠加态来讲授量子纠缠的现象。墨子号卫星也使用的是全同粒子（光子）的纠缠状态来传递加密信息。
　　这无疑让大家以为，量子纠缠是一种不寻常的现象，只有在实验室里才能实现。事实上，量子纠缠是宇宙中最常见的现象，并不限制于全同粒子之间，只要粒子的波函数在空间上存在重合区域，就会发生纠缠，整个宇宙通过这种超距作用相互联系起来。
　　你一定想问我，那为什么量子纠缠不常见呢？这是因为波函数很容易塌缩，处于纠缠中的波函数的能量差只要超过了普朗克能量（能量的最小单元）那么这个波函数就会塌缩，这个塌缩过程是瞬间的，在一个普朗克时间（时间的最小单元）之内。
　　宏观物体是微观粒子纠缠后的波函数塌缩的结果。由于普朗克能量太小，在充满空气的地球表面，即使发生自发的量子纠缠现象，它的生存周期必然很短。以光子的纠缠为例，只有产生大量的纠缠光子，有足够的剩余纠缠光子穿透大气层，才可以产生可检测的强度信号。
　　这就是墨子号量子卫星的最大技术难点，也是很多比较专业的人士质疑墨子号的原因。毕竟浓密的大气很容易就让纠缠中的光子塌缩，从而不再处于纠缠态。事实上，纠缠状态的判断很容易（下面会介绍这个判断过程），墨子号成功进行了量子加密通信是可以确定的。
　　墨子号是如何利用纠缠分发密匙的？
　　这里就简单地说一下量子密匙分发的过程。首先，我们需要一个能够产生纠缠光子的信号源，然后把纠缠光子对中的一个光子发送到通讯链路的每一端（接收端）；其次，两个接收者在三个角度，随机选择其中的一个角度测量光子的偏振；第三，两个接收者分享对它们有用的某些信息，其测量过程（角度和偏振的结果）不需要保密。
　　在这个例子中，每一端的检测器都是随机选择其中的一个偏振方向。当纠缠光子到达检测器时，在那个方向进行测量，就可以得到结果0或1，在得到一系列读数之后，链路两端共享检测仪所在的位置，就可以得到检测位置的编码。
　　比较两端的编码，检查编码中相同编码出现的频率，如果光子仍然是纠缠的，那么应该存在比预期更密切的相关性。如果光子中途被窃听，则这种相关性就会降低。因此两端此时可以选择出现相关性最高的那个偏振方向作为检测方向就是安全可靠的。（这就是判断纠缠的方法）
　　由于两个接收端的光子之间是纠缠的，所以它们的读数都一样，而且只有两端的接收者知道。现在问题来了这样一种装置，并没有发送任何信息，密匙是什么时候发送出去的呢？其实这正是区别于传统密码学的关键。
　　在传统密匙分发的过程中，发送者首先要生成一个密匙，然后再将它发送给接收者，然后双方再通过这个密匙进行交流。这就意味着存在三个机会来破译这个密匙系统。可以在使用密匙之前窃取密匙，或者在密匙发送时进行窃听，亦或在接收者保存密匙的时候发现这个密匙。
　　量子纠缠的用处在于，纠缠提供了密匙本身这样就不需要密匙，自然也就不需要保管密匙，并且这种纠缠产生的密匙是真正随机的。两个接收者两端都测定同一方向的偏振，其结果时0或1，完全是随机的。接收者都得到了相同的结果，但是都不知道将要得到的结果是什么。0和1的随机顺序构成了密匙本身。
　　现在我们知道了，墨子号量子通讯卫星所起到的作用，就是在太空中建立一个产生纠缠光子的发射源，通过卫星上的装置分别照射到地球上需要接收的两处地点，在这两地之间产生完全随机的密匙。两地之间的发送端，根据密匙加密需要通讯的信息，通过传统手段发送给接收端，而接收端则根据卫星接收到的密匙来解密信息。
　　结束语
　　本文通过对量子纠缠现象的介绍，介绍了墨子号量子卫星的密匙分发过程，相信您一定明白了其中的原理了吧。虽然量子密匙分发不是量子通讯，但是我们国家已经在量子纠缠的应用领域遥遥领先是一个不争的事实。希望祖国能够在更多的科学领域中强大起来，我是中国人，我骄傲！
　　关于量子纠缠和墨子号，你们怎么看呢？